KR20010079524A

KR20010079524A - 냉각장치

Info

Publication number: KR20010079524A
Application number: KR1020017000475A
Authority: KR
Inventors: 타카치켄
Original assignee: 타카치 켄; 롱웰 저팬 가부시키가이샤
Priority date: 1999-06-11
Filing date: 1999-08-11
Publication date: 2001-08-22
Also published as: KR100654660B1; US6397623B1; EP1106939A1; DE69929980T2; EP1106939A4; TW554156B; EP1106939B1; WO2000077461A1; DE69929980D1

Abstract

본 발명의 목적으로 하는 바는 경제성이나 냉기의 맥동 등의 여러가지 문제점을 해결한 냉각장치를 제공하는 데에 있다.

본 발명의 냉각장치는 컴프레서와 팽창기를 한 개 또는 서로 연동하는 크랭크축에 연결하고, 팽창기에 있어서의 압축공기의 팽창에너지를 컴프레서로 외기를 압축하는 에너지에 이용함으로써, 러닝코스트를 저감시키는 것이다. 또, 복수의 팽창기를 소정의 위상차로 작동시켜 냉기의 맥동을 저감시킨 것이다. 또, 팽창기에 공기를 도입하는 배관에 공기건조기를 구비하고, 팽창전의 공기를 제습하는 것이다. 또, 컴프레서 및 팽창기의 크랭크장치는 유성기어기구를 구비하는 것이 바람직하다.

Description

냉각장치{COOLING DEVICE}

최근, 플론가스의 영향으로 오존층파괴, 지구온난화 등의 지구를 둘러싼 환경악화가 심각한 문제로 되고, 플론가스를 사용하지 않고 환경에 영향을 주지 않는 냉각장치가 요구되게 되어지고, 그 하나의 흐름으로서 자연계의 공기를 냉매로 한 깨끗하고 안전한 냉각장치의 개발이 진행되고 있다.

일반적으로, 공기를 냉매로 한 냉각장치는 외기를 컴프레서로 흡입·압축하고, 압축되어 고온상태로 된 공기를 열교환기에 도입해서 상온가까이까지 냉각하고, 이것을 팽창기에 도입해서 단열팽창시키는 구성이고, 공기의 온도는 마이너스 수십도라는 낮은 온도로 저하하고, 이 공기를 냉동실에 도입하여 목적물의 열을 흡수해서 냉동하도록 되어 있다.

그런데, 상기 냉각장치는 이하에 열거하는 실용상의 문제가 있다.

①컴프레서와 팽창기는 별개의 구동계로 구동한다. 컴프레서에 있어서는 외기를 압축시키는 에너지가 필요하고, 팽창기에 있어서도 압축공기를 팽창시키는 에너지가 필요하므로, 소비전력이 크고 러닝코스트가 비싸서 비경제적이다.

②팽창기의 작동위상에 근거해서 냉기에 맥동이 발생하는 경우가 있고, 목적물의 일정한 냉각을 꾀하기 위해서는, 이 냉기의 맥동을 억제하는 것이 요구된다.

③팽창기내에서는 공기의 온도가 급격하게 내려가고, 마이너스 수십℃가 되므로, 팽창기내에서 공기속에 포함되는 수분이 팽창실린더의 배기밸브 등에 결로·빙결해서 냉각장치의 작동을 방해할 가능성이 있다.

④냉각장치의 냉각효율이나 작동시의 에너지효율을 더욱 향상시키는 것이 요구된다.

그래서, 본 발명이 목적으로 하는 바는 상기 문제점을 해결하는 공기를 냉매로 한 냉각장치를 제공하는 데에 있다.

본 발명은 공기를 냉매로 한 냉각장치에 관한 것이다.

도 1은 본 발명의 제1실시형태에 따른 냉각장치의 전체구조를 나타낸 도면이다.

도 2는 본 발명의 제1실시형태에 따른 냉각장치의 전체구조를 나타낸 도면이다.

도 3은 본 발명의 제1실시형태에 따른 단일의 냉각유닛의 구조를 나타낸 주요부분의 종단면도이다.

도 4는 도 3의 주요부분 횡단면도이다.

도 5는 본 발명의 제1실시형태에 따른 팽창실린더의 종단면도이다.

도 6은 본 발명의 제1실시형태에 있어서의 크랭크장치의 개략도이다.

도 7은 본 발명의 제1실시형태에 있어서의 크랭크장치의 개략도이다.

도 8은 본 발명의 제2실시형태에 따른 단일의 냉각유닛의 주요부분 종단면도이다.

도 9는 본 발명의 제3실시형태에 따른 단일의 냉각유닛의 주요부분의 종단면도이다.

도 10은 본 발명의 제4실시형태에 따른 단일의 냉각유닛의 주요부분 종단면도이다.

도 11은 본 발명의 제5실시형태에 따른 냉각장치의 구조를 나타낸 주요부분 종단면도이다.

도 12는 도 5의 주요부분 횡단면도이다.

도 13은 본 발명의 제5실시형태에 있어서의 크랭크장치의 개략도이다.

도 14는 본 발명의 제5실시형태에 있어서의 크랭크장치의 개략도이다.

도 15는 본 발명의 제5실시형태에 따른 냉각장치의 캠기구를 나타낸 도면이다.

도 16은 본 발명의 제6실시형태 및 제7실시형태에 따른 냉각장치의 전체구성을 나타내 도면이다.

도 17은 본 발명의 제6실시형태에 따른 압축실린더유닛의 구조의 주요부분 종단면도이다.

도 18은 본 발명의 제6실시형태에 따른 압축실린더유닛의 구조의 주요부분 종단면도이다.

도 19의 (A)는 모터 주도로 구동하는 크랭크장치의 유성기어기구의 맞물림을 나타낸 도면이고, (B)는 팽창에너지에 의해 구동하는 크랭크장치의 유성기어기구의 맞물림을 나타낸 도면이다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 냉각장치는 압축피스톤을 왕복운동가능하게 수납한 한 개 또는 복수의 압축실린더와, 팽창피스톤을 왕복운동가능하게 수납한 복수의 팽창실린더와, 한 개 또는 서로 연동하는 복수의 크랭크축과, 상기 크랭크축으로부터 크랭크핀을 통해 상기 압축피스톤을 왕복운동가능하게 연결하는 제1크랭크기구와, 상기 크랭크축으로부터 크랭크핀을 통해 상기 팽창피스톤을 왕복운동가능하게 연결하는 제2크랭크기구와, 상기 크랭크축을 회전구동하는 구동장치와, 상기 압축실린더의 흡기구로부터 도입되어 상기 각 압축실린더의 내부에서 압축된 압축공기를 배기하는 배기구와, 상기 각 팽창실린더의 흡기구를 각각 연통하는 압축공기공급통로와, 상기 압축공기공급통로에 배치된 1차냉각기와, 상기 각 팽창실린더안에서의 단열적 팽창에 의해 저온으로 된 공기를 외부로 배기하는 냉기배기용 매니폴드를 갖는 것을 특징으로 한다.

냉기의 맥동을 저감하는 수단은, 상기 복수의 팽창실린더와, 한 개 또는 서로 연동하여 동일주기로 회전하는 복수의 크랭크축과, 상기 크랭크축으로부터 크랭크핀을 통해 상기 각 팽창피스톤을 각각 소정의 위상차로 왕복운동가능하게 연결하는 제2크랭크기구와, 상기 각 팽창실린더안에서의 단열적 팽창에 의해 저온으로 된 공기를 외부로 배기하는 복수의 배기구를 연통하는 냉기배기용 매니폴드를 갖는 것을 특징으로 한다.

팽창실린더안 등에 있어서의 결로나 빙결을 막는 수단은 상기 압축실린더의 흡기구에 공기를 도입하는 흡기통로 또는 상기 압축공기공급통로에 배치되는 공기건조장치를 갖는 것을 특징으로 한다.

상기에 있어서 공기건조장치를 압축공기공급통로의 1차냉각기보다 상류측에 배치한 경우에는, 공기건조장치와 압축실린더사이에 2차냉각기를 구비한다.

냉각효율이나 작동시의 에너지효율을 향상시키는 수단은, 예를 들면 압축실린더의 흡기구에 상기 냉기배기용 매니폴드의 냉기배기공간의 공기를 도입하도록 도입배관을 설치하는 것을 특징으로 하고, 또, 상기 냉기배기용 매니폴드냉기배기용 매니폴드내의 공기의 일부를 압축실린더내에 도입하도록 도입배관을 설치하는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명의 냉각장치는 크랭크축 중 한 개의 크랭크축에 냉각장치의 안정동작을 책임지기 위한 플라이휠을 설치하는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명의 냉각장치는 단열실린더를 내외로 겹쳐진 통체로 구성하고, 그 내부통을 스텐레스로 구성하는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명의 냉각장치는 냉각효율이나 작동시의 에너지효율을 향상시키는 수단으로서, 상기 각 실린더를 2개씩 실린더헤드를 서로 외측을 향해서 동일한 실린더축선을 따라 대향배치하고, 상기 양 실린더의 피스톤을 연결하는 동시에, 상기 실린더축선을 따라 직선왕복운동하는 피스톤로드와, 상기 실린더축선에 그 피치원의 중심축을 직교하는 동시에, 실린더축선과 평행하게 고정적으로 배치한 내주태양기어와, 상기 내주태양기어의 피치원직경에 대해서 1/2의 피치원직경을 갖고, 맞물려서 자동 및 공전가능하게 배치한 유성기어와, 상기 내주태양기어의 피치원의 중심축둘레에 회전가능하게 배치한 크랭크축과, 상기 크랭크축의 반경방향으로 돌출하게 설치하여 상기 유성기어의 자전축을 회전가능하게 지지하는 암부를 갖고, 상기 유성기어의 피치원의 원주상에서 상기 피스톤로드의 중간부를 핀결합하는 크랭크기구를 설치하는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명의 냉각장치는 압축피스톤을 왕복운동가능하게 수납한 압축실린더와, 팽창피스톤을 왕복운동가능하게 수납한 복수의 팽창실린더를, 각 실린더헤드를 외측을 향한 상태에서 동일한 실린더축선상에 배치한 실린더유닛과, 상기 실린더유닛의 압축피스톤과 팽창피스톤과 팽창피스톤을 연결하는 동시에, 실린더유닛의 축선을 따라 직선왕복운동하는 피스톤로드와, 상기 실린더유닛의 실린더사이에서 실린더축선에 그 피치원의 중심축을 직교하는 동시에, 실린더축선과 평행하게 고정적으로 배치한 내주태양기어와, 상기 내주태양기어의 피치원직경의 1/2의 피치원직경을 갖고, 맞물려서 자전 및 공전가능하게 배치한 유성기어와, 상기 내주태양기어의 피치원의 중심축둘레에 회전이능하게 배치되는 크랭크축과, 상기 크랭크축의 반경방향으로 돌출하여 설치되고 상기 유성기어의 자전축을 회전가능하게 지지하는 암부를 갖고, 상기 유성기어의 피치원의 원주상에서 상기 피스톤로드의 중간부를 핀결합하는 크랭크기구와, 상기 크랭크축을 회전구동하는 구동장치와, 상기 압축실린더의 흡기구로부터 도입되어 상기 압축실린더의 내부에서 압축된 압축공기를 배기하는 배기구와, 상기 각 팽창실린더의 흡기구를 각각 연통하는 압축공기공급통로와, 상기 압축공기공급통로에 배치된 1차냉각기와, 상기 각 팽창실린더안에서의 단열적팽창에 의해 저온으로 된 공기를 외부로 배기하는 배기구를 연통하는 냉기배기용 매니폴드를 갖는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명의 냉각장치는, 상기 유성기어와 피스톤로드와의 핀결합부에 캠종동자를 설치하고, 팽창피스톤이 상사점에 도달하기 이전에 유성기어가 자전방향의 앞측에서 태양기어에 맞물리도록 캠안내면을 설정한 캠기구를 설치해도 좋다. 또, 캠기구는 팽창피스톤이 하사점에 도달하기 이전에 있어서 유성기어가 자전방향의 앞측에서 태양기어에 맞물리도록 설정한 캠안내면을 갖는 것으로 해도 좋다.

또, 본 발명의 냉각장치는 압축피스톤을 왕복운동가능하게 수납한 두 개의 압축실린더의 각 실린더헤드를 외측을 향한 상태에서 동일실린더축선상에 설치한 압축실린더유닛과, 압축피스톤을 왕복운동가능하게 수납한 두 개의 팽창실린더의 각 실린더헤드를 외측을 향한 상태에서 동일실린더축선상에 설치한 팽창실린더유닛과, 상기 각 실린더유닛에 각각 구비되고, 각 실린더유닛의 두 개의 피스톤을 연결하는 동시에, 실린더유닛의 축선을 따라 직선왕복운동하는 복수의 피스톤로드와, 상기 각 실린더유닛의 실린더사이에서, 실린더축선에 그 피치원의 중심축을 직교하는 동시에, 실린더축선과 평행하게 고정적으로 설치한 내주태양기어와, 상기 내주태양기어의 피치원직경의 1/2의 피치원직경을 갖고, 맞물려서 자전 및 공전가능하게 설치한 유성기어와, 상기 내주태양기어의 피치원의 중심축둘레에 회전가능하게 배치되는 크랭크축과, 상기 크랭크축의 반경방향으로 돌출하게 설치하여 상기 유성기어의 자전축을 회전가능하게 지지하는 암부를 갖고, 상기 유성기어의 피치원의 원주상에 있어서 상기 피스톤로드의 중간부를 핀결합하는 크랭크기구와, 상기 각 실린더유닛에 구비되는 크랭크축을 서로 연동시키는 동력전달수단과, 상기 크랭크축을 회전구동하는 구동장치와, 상기 각 압축실린더의 흡기구로부터 도입되어 상기 압축실린더의 내부에서 압축된 압축공기를 배기하는 배기구와, 상기 각 팽창실린더의 흡기구를 각각 연통하는 압축공기공급통로와, 상기 압축공기공급통로에 설치된 1차냉각기와, 상기 각 팽창실린더안에서의 단열적팽창에 의해 저온으로 된 공기를 외부로 배기하는 배기구를 연통하는 냉기배기용 매니폴드를 갖는 것을 특징으로 하는 것이다.

또, 본 발명의 냉각장치는 압축공기공급통로에 적시에 작동조작가능한 증압용 컴프레서로 제작한 압축공기를 공급하는 것을 특징으로 한다. 또, 이 경우, 압축공기공급통로에 설치한 감압장치와, 제작된 냉기의 온도를 측정하는 온도센서를 갖고, 상기 온도센서에 기초해서 압축공기공급통로의 공기의 압력을 증·감압조정하여 원하는 온도의 냉기가 얻어지도록 구성해도 좋다.

이하, 본 발명에 따른 냉각장치의 실시형태를 도면에 근거해서 설명한다.

제1실시형태는, 도 1 및 도 2에 나타내듯이 컴프레서(1)와, 압축공기공급통로로서의 배관(6, 21)과, 1차냉각기로서의 제1열교환기(5)와, 팽창기(22)와, 배기관(26)과, 피스톤로드(8, 39)와, 크랭크장치(9)와, 구동장치로서의 구동모터(10)를 갖는 단일의 냉각유닛을, 도 1 및 도 2에 나타내듯이 시스템기대(60)상에 3개를 병렬로 배치하고, 각 냉각유닛의 배기관(26)을 냉기배기용 매니폴드(70)(도 3참조)에 연결한 것이다.

시스템기대(60)는 냉각유닛을 상하방향 등간격으로 지지하는 것으로서, 각냉각유닛을 지지하기 위한 지지암(60a)을 갖는다.

도 3 및 도 4는 단일의 냉각유닛의 구조를 나타낸 도면이다.

컴프레서(1)는 압축실린더(2)안에 압축피스톤(3)을 왕복운동가능하게 수납한다. 압축실린더(2)의 헤드부는 도입배관(43)으로부터 압축실린더(2)안으로의 외기의 흡입을 제어하는 흡기밸브(4)와, 배관(6)으로의 압축공기의 배기를 제어하는 배기밸브(7)를 구비한다. 흡기밸브(4)는 외기압에 의해 밀려 개방되는 자동밸브이다. 배기밸브(7)는 소정의 압축공기압으로 밀려 개방되는 자동밸브이다. 압축피스톤(3)은 피스톤로드(8)가 도면중 좌측으로 돌출하고 있고, 크랭크장치(9)를 통해 구동모터(10)에 연결한 것이다. 이것에 의해 압축피스톤(3)은 구동모터(10)의 작동에 동반해서 상사점과 하사점사이에서 왕복운동한다. 또, 크랭크장치(9)의 구조에 대해서는 후술한다.

제1열교환기(5)는 예를 들면 크리닝타워(도시생략)와의 사이에서 냉각수가 순환하고 있고, 컴프레서(1)로부터 배관(6)을 통해 보내어져 온 고온의 압축공기를 냉각수와 열교환해서 상온가까이가지 1차냉각하는 것이다. 제1열교환기(5)에 있어서 1차냉각된 압축공기는 배관(21)을 통해 팽창기(22)에 보내진다.

또, 제1열교환기(5)는 단일의 냉각유닛에 대해서 한 개 구성되도록 도시되어 있지만, 본 실시형태에서는 복수의 냉각유닛의 배관(6)을 연통해서 압축공기를 일단 모으고, 단일의 제1열교환기로 1차냉각을 행하고, 냉각후의 압축공기를 배분해서 각 팽창기(22)로 보내고 있다.

팽창기(22)는 컴프레서(1)의 압축실린더(2)와 같은 실린더축선(L)상에 대향배치한 팽창실린더(23)안에 팽창피스톤(24)을 왕복운동가능하게 수납한다. 도 5에 나타내듯이, 팽창실린더(23)는 팽창시의 공기의 단열성을 확보한 단열실린더이다. 예를 들면, 팽창실린더(23)는 내외 3중구조를 갖는 실린더로, 내부통(23a)이 스텐레스제(전열률 작음)로 구성되고, 외부통(23b)이 알루미늄합금제로 구성되고, 내부통(23a)과 외부통(23b)사이에 공기를 봉입한 구성을 갖는다. 팽창피스톤(24)은 피스톤로드(39)가 도면중 우측으로 돌출하고 있고, 압축피스톤(3)과 180°의 위상차로 왕복운동하도록 핀(40)에 의해 피스톤로드(8)에 피봇연결한 것이다.

이것에 의해 구동모터(10)를 작동해서, 컴프레서(1)의 압축피스톤(3)이 상사점과 하사점사이에서 왕복운동하면, 팽창피스톤(24)은 압축피스톤(3)과 동일주기로, 또한, 180°의 위상차로 상사점과 하사점사이에서 왕복운동한다.

팽창실린더(23)의 헤드부는 배관(21)으로부터의 흡기를 제어하는 흡기밸브(25)와, 단열팽창한 저온공기의 배기관(26)으로의 배기를 제어하는 배기밸브(27)를 구비한다. 이 흡기밸브(25) 및 배기밸브(27)는 밸브구동기구(28)에 의해 소정의 타이밍으로 개폐조작된다.

밸브구동기구(28)는 요동가능하게 설치한 두 개의 록커암(29, 30)의 일단을 타이밍벨트(32)에 의해 크랭크축(13)측의 타이밍풀리(31)와 동기로 회전하는 타이밍풀리(33, 34)의 캠샤프트(35, 36)에 설치한 캠(37, 38)을 접촉시키고, 록커암(29)의 타단을 흡기밸브(25), 또 록커암(30)의 타단을 배기밸브(27)의 각각 태핏부 선단에 압접한 것이다. 이것에 의해 밸브구동기구(28)는 크랭크장치(9)의 크랭크동작에 동반해서 캠샤프트(36, 36)가 회전하고, 캠(37, 38)이 록커암(29,30)을 소정의 타이밍으로 요동시키고, 흡기밸브(25)와 유출밸브(27)를 소정의 타이밍으로 개폐조작한다.

배기관(26)은 냉기배기용 매니폴드(70)에 의해 병렬로 배치된 다른 냉각유닛의 배기관(26)과 하나로 모아지고, 예를 들면 냉동창고 등의 냉각목적물로 보내진다. 배기관(26) 및 냉기배기용 매니폴드(7)는 팽창기(22)로부터 배기되는 냉기의 단열성을 확보하기 위해 단열재(26a) 및 단열재(70a)로 각각 피복되어 있다.

크랭크장치(9)는 구동모터(10)의 회전운동을 피스톤로드(8)의 직선왕복운동으로 변환하는 것이다. 도 4에 나타내듯이, 크랭크장치(9)는 베어링(12)을 통해 크랭크케이스(11)안에 회전가능하게 축지지되고, 구동모터(10)에 연결한 크랭크축(13)과, 피스톤로드(8)에 연결한 연결핀(20)과, 이들 크랭크축(13)과 연결핀(20)사이에 끼워지는 유성기어기구(15)를 구비한다.

이하, 도 3, 도 4, 도 6, 도 7에 근거해서 이 유성기어기구(15)를 설명한다.

상기 유성기어기구(15)는 내주면에 톱니를 형성한 내주태양기어(16)와 외주면에 톱니를 형성한 유성기어(17)를 주요한 구성부재로 한다.

내주태양기어(16)는 그 중심축(16a)이 상기 실린더축선(L)에 직교하고, 또한 중심축(16a)이 크랭크축(13)의 회전중심과 일치하도록 크랭크케이스(11)에 고정적으로 배치한다.

유성기어(17)는 그 피치원직경이 내주태양기어(16)의 피치원직경의 1/2이고, 이 내주태양기어(16)의 내주를 따라 전동하도록 배치한다. 유성기어(17)는 그 중심에 자전축(14)이 베어링(18)을 통해 회전가능하게 피봇연결되는 동시에,자전축(14)의 축단에 회전관성력을 부여하는 카운터바란서(19)가 일체적으로 형성된다.

유성기어(17)의 자전축(14)은 크랭크핀이 되고, 크랭크축(13)으로부터 반경방향으로 돌출하여 설치한 암부(13a)에 축지지된다.

연결핀(20)은 도 6에 나타내듯이, 카운터바란서(19)의 측면에서 유성기어(17)의 피치원(17c)의 직경이 실린더축선(L)과 일치할 때에, 내주태양기어(16)의 피치원과 유성기어(17)의 피치원과의 접점에 대응하는 위치에 설치된다. 연결핀(20)은 베어링을 통해 컴프레서(1)의 피스톤로드(8)의 일단을 회전가능하게 피봇연결한다.

도 7의 개략도에 나타내듯이, 이 크랭크장치(9)는 전술한 구성에 의해, 크랭크축(13)의 회전중심으로부터 유성기어(17)의 자전축(14)까지의 거리와, 유성기어(17)의 자전축(14)으로부터 피스톤로드(8)를 연결하는 연결핀(20)까지의 거리가 같고, 또, 유성기어(17)가 1회 공전할 때마다 2회 자전하므로, 이 연결핀(20)은 유성기어(17)가 1회 공전할 때마다 실린더축선(L)상에서 직선왕복운동하게 된다. 이 때문에, 피스톤로드(8)가 실린더축선(L)에 대해서 거의 요동하는 일없이 직선황복운동하므로, 압축피스톤(3) 및 피스톤로드(39)에 연결한 팽창피스톤(24)에 반경방향 가로방향의 힘이 거의 작용하지 않고, 소위 피스톤슬랩이 발생하기 어려워서 진동·소음·캐비테이션·마모손상 등이 대폭 저감된다.

또, 피스톤로드(8)의 왕복운동의 범위는 실린더의 상사점과 하사점의 거리와 같고, 이 때문에 내주태양기어(16)의 피치원직경은 실린더의 상사점과 하사점의 거리와 같게 설정되어 있다.

또, 이 경우, 피스톤로드(8)와 피스톤로드(39)는 원리적으로는 일체적인 연속로드로 구성하는 것이 가능하지만, 본 실시형태에서는 핀(40)에 의한 중앙이 꺾이기 가능한 연결구조로 함으로써, 각 부의 치수오차를 흡수해서 압축피스톤(3) 및 팽창피스톤(24)의 왕복운동을 원활하게 하고 있다.

도 1에 있어서, 각 냉각유닛의 크랭크장치(9a, 9b 9c)는 병렬로 배치한 냉각유닛을 소정의 위상차로 작동시키므로, 각 크랭크장치의 크랭크축(13)에 끼운 타이밍풀리(50)에 1개의 타이밍벨트(52)를 걸어감는다. 또, 각 냉각유닛의 작동타이밍이 어긋나지 않도록, 타이밍풀리(50) 및 타이밍벨트(52)는 톱니부착풀리 및 톱니부착벨트로 구성하고, 서로 맞물려서 미끄러짐이 없도록 되어 있다. 이 실시형태에 따른 냉각장치에서는, 3개의 냉각유닛으로 구성하고 있으므로, 각 냉각유닛이 120°의 위상차로 작동하도록 설정하고 있다. 또, 도 1중의 도면부호 54와 56의 풀리는 아이들러풀리이고, 타이밍벨트(52)에 소정의 장력을 확보하고 있다. 또, 도 1 및 도 2에 나타내듯이, 3개의 크랭크장치(9a, 9b 9c)는 타이밍풀리(50)에 의해 연동하므로, 가운데의 크랭크장치(9b)에 큰 플라이휠(9b1)을 설치함으로써, 냉각장치전체의 동작을 안정시키고 있다. 이것에 의해, 다른 크랭크장치(9a, 9c)의 동작은 가운데의 크랭크장치(9b)의 동작에 주도되어 소정의 위상차로 종동하는 것이 된다.

이하, 이 제1실시형태에 있어서의 냉각장치의 작용에 대해서 설명한다.

컴프레서(1)는 상술한 바와 같이 압축피스톤(3)이 상사점과 하사점사이에서 왕복운동해서 외기를 흡입·압축해서 제1열교환기(5)로 고온의 압축공기를 보낸다.즉, 압축피스톤(3)은 상사점을 지나 하사점으로 이행할 때에, 압축실린더(2)안의 공기가 감압함에 따라, 외기압에 의해 흡기밸브(4)가 밀려 개방되어 외기를 압축실린더(2)안으로 흡입하고, 그리고, 압축피스톤(3)이 하사점을 지나 상사점으로 이행할 때에, 압축실린더(2)안의 공기가 증압함으로써 흡기밸브(4)를 자동적으로 폐쇄하여 압축실린더(2)안에 흡입된 공기를 압축한다. 이때, 압축실린더(2)안의 공기는 고온의 압축공기로 된다. 다음에, 컴프레서(1)는 압축피스톤(3)이 상사점부근에 도달하고, 압축실린더(2)안의 공기가 소정의 압축공기압으로 되었을 때에 그 압력으로 배기밸브(7)가 밀려 개방되어 배관(6)으로 압축공기를 배기한다.

이 고온의 압축공기는 배관(6)을 통해 제1열교환기(5)로 보내진다. 제1열교환기(5)는 상술한 바와 같이, 냉각수와의 열교환에 의해 고온의 압축공기를 상온가까이까지 1차냉각한다. 여기에서 냉각된 압축공기는 배관(21)을 통해 팽창기(22)에 보내진다.

팽창기(22)는 팽창피스톤(24)이 상사점과 하사점사이에서 왕복운동하므로써, 열교환기(5)로부터 도입된 압축공기를 단열팽창시켜 배기구(26)로 보낸다. 즉, 팽창기(22)는 캠(37)에 의해 팽창피스톤(24)이 상사점을 지나 하사점으로 이행하기 시작하는 얼마동안만 흡기밸브(25)를 열고, 압축공기를 팽창실리더(23)안에 흡기하고, 팽창피스톤(24)이 하사점에 도달하는 과정에서 팽창실린더(23)안에서 압축공기를 대기압가까이까지 단열팽창시킨다. 팽창실린더(23)안의 공기는 이 단열팽창시에 온도가 저하해서 마이너스 수십℃의 냉기로 된다. 다음에 팽창기(22)는 캠(38)에 의해 팽창피스톤(24)이 하사점을 지나 상사점으로 이행하는 동안 배기밸브(27)를열어 팽창실린더(23)안의 냉기를 배기구(26)로 배기한다.

그리고, 각 냉각유닛의 팽창기(22)에서 2차 냉각된 냉기는 배기구(26)로부터 매니폴드(70)로 보내어져 합류한 후, 냉동목적물의 열을 흡수해서 냉동한다. 이 냉동장치는 위상차가 다른 3개의 냉각유닛의 냉기가 하나로 모아지므로, 각 냉각유닛에 의해 발생하는 발생냉기의 맥동이 합성되고, 합성후의 배기냉기는 맥동이 거의 발생하지 않고 없어진다.

또, 배기냉기는 냉기배기공간(71)에 배기되고, 최종적으로 냉기배기공간(71)의 기압까지 팽창한다. 즉, 팽창실린더(23)에 흡기하는 압축공기는 냉기배기공간(71)의 기압까지 단열팽창하는 것으로 되므로, 배기냉기의 온도는 팽창실린더(23)에 흡기하는 압축공기의 온도와 압력에 의해 정해진다. 상기 냉각유닛은 제1열교환기(5)에 의해 압축공기가 상온가까이까지 냉각되므로, 압축공기의 압력을 높게 하면 보다 찬 냉기가 얻어지고, 압축공기의 압력을 낮게 하면 냉기의 온도가 높아진다.

도 3에 나타내듯이, 냉기의 온도를 조정하는 구성으로서는, 예를 들면, 냉기배기용 매니폴드(70)안에 온도센서(94)를 설치하고, 배관(21)안에 기압측정센서(95)를 설치하고, 온도센서(94) 및 기압측정센서(95)에 기초해서 배관(21)안의 기압을 소정의 냉기가 얻어지도록 조정하는 구성으로 해도 좋다. 배관(21)안의 기압을 조정하는 구성은 예를 들면, 배관(21)에 감압장치(93)를 설치하고, 또한, 배관(6, 21)에 예를 들면 컴프레서 등의 증압장치(도시생략)로부터 압축공기를 공급하는 구성으로 해도 좋다.

감압장치는 예를 들면, 배관(21)안의 기압이 소정의 압력이상인 경우에 공기를 외부로 배기함으로써, 팽창실린더(23)에 보내는 압축공기의 압력을 감압조정하는 것이다. 또, 증압장치는 예를 들면, 적시에 구동하도록 한 증압용 컴프레서에 의해 만들어지는 압축공기를 배관(92)으로부터 배관(6)안으로 공급하고, 배관(6)안의 공기의 압력을 증압조정하는 것이다. 또한, 증압용 컴프레서는 상기 냉각유닛의 크랭크축(13)에 적시에 접촉이간조작하는 것이 가능한 클러치기구를 구비해서 구동하는 것, 또는 별도의 구동모터에 의해 적시에 구동하는 것으로 해서 구성할 수 있다. 또, 증압용 컴프레서를 상술한 바와 같이 크랭크축(13)에 클러치기구를 통해 연결하는 경우에는, 팽창기(22)의 팽창에너지를 이용할 수 있으므로, 별개로 독립된 모터를 구동원으로 하는 경우에 비해 보다 경제적이고, 팽창실린더(23)안의 압축공기로부터 보다 많은 열에너지를 빼앗을 수 있으므로, 보다 온도가 낮은 공기를 만들 수 있다.

또, 이 냉각장치는 팽창기(22)로 압축공기를 단열팽창할 때에, 팽창피스톤(24)이 받는 힘은 컴프레서(1)의 압축피스톤(3)의 압축공정운동을 돕는다. 즉, 각 냉각유닛은 동일한 크랭크축(13)에 의해 압축피스톤(3)과 팽창피스톤(24)으로 동작시키고 있으므로, 팽창피스톤(24)이 받는 압축공기의 팽창에너지를 압축피스톤(3)의 압축에너지의 일부로서 이용함으로써, 구동에너지를 공급하는 구동모터(10)의 부담을 경감하고 있다.

또, 이 냉각유닛은 압축실린더(2)와 팽창실린더(23)를 동일한 실린더축선(L)상에 배치하고, 압축피스톤(3)의 피스톤로드(8)와 팽창피스톤(24)의피스톤로드(39)를 이 실린더축선(L)상에서 연결함으로써, 팽창피스톤(24)이 상사점으로부터 하사점으로 이동할 때에, 압축공기의 팽창에너지가 팽창피스톤(24)을 밀도록 작용한다. 이 때문에, 이 냉각유닛은 압축공기의 팽창에너지를 그대로 압축피스톤(3)이 외부공기를 압축할 때의 압축에너지로 변환할 수 있으므로, 에너지효율이 좋고, 보다 경제적이다.

또, 팽창실린더(23)안의 압축공기가 컴프레서(1)의 압축시에 작용하고, 그 만큼 많은 열에너지가 빼앗기게 되므로, 이 냉각유닛은 보다 낮은 온도의 냉기를 만들 수 있게 된다.

또, 팽창실린더(23)안에서 단열팽창한 냉기는 다시 배기되는 냉기배기공간의 압력까지 단열팽창하게 된다. 이 때문에, 냉각유닛은 팽창실린더(23)에 흡기하는 압축공기의 압력이 높아지면 높을 수록, 보다 온도가 낮은 냉기가 얻어진다. 다른 한편, 팽창실린더에 흡기하는 압축공기의 압력이 높아지면 높을 수록 팽창기(22)로부터 보다 큰 팽창에너지가 얻어지므로, 냉각유닛은 제작되는 냉기의 온도를 낮게 설정해도 모터(10)의 부담은 그다지 크지 않게 된다.

상술한 냉각장치는 약 마이너스 70℃의 냉기를 발생시킬 수 있고, 예를 들면 냉동창고안의 공기조절이나, 공작기계의 절삭부분의 냉각에 이용하는 것이 고려되고 있다. 이 중, 공작기계에 이용하는 경우에는, 냉각된 공기를 절삭날로 보내어 절삭시의 마찰열을 흡수하는 용도로 이용된다. 이 결과, 절삭오일의 사용량을 윤활에 필요한 양으로 억제할 수 있으므로, 보다 절삭오일을 예를 들면 분해되기 쉬운 식물유로 구성함으로써, 환경에 무해한 공작기계를 제작할 수 있다.

이상, 본 발명의 제1실시형태에 따른 냉각장치에 대해서 설명했다. 이 냉각장치는 냉기의 맥동을 억제하기 위해, 3개의 냉각유닛이 소정의 위상차로 작동하도록 구성한 것이지만, 단일의 냉각유닛도 단독으로 냉각장치로서의 기능을 구비한다.

다음에, 본 발명에 따른 다른 실시형태에 대해서 설명한다.

도 8에 본 발명의 제2실시형태에 따른 냉각장치를 나타낸다. 이 냉각장치는 전체구성에 있어서 상술한 도 1 및 도 2에 나타낸 냉각장치와 동일한 것이지만, 외부압축공기를 이용해서 각 냉각유닛을 구동하도록 한 것이다.

제2실시형태의 냉각유닛은 배관(21)의 중간에 외부의 압축공기공급수단(예를 들면, 별도구동으로 움직이는 컴프레서(도시생략) 등)으로부터 외부압축공기를 도입하는 도입관(41)을 접속하는 동시에, 크랭크장치(9)의 크랭크축(13)을 시동용 구동장치로서의 셀모터(42)에 연결한 것이고, 그밖의 구성은 도 3 및 도 4에 나타낸 실시형태와 동일하다.

제2실시형태의 냉각유닛은 시동시에 셀모터(42)를 작동하는 동시에, 외부압축공기를 도입관(41)으로부터 배관(21)에 도입한다. 셀모터(42)는 시동시에 크랭크장치(9)를 통해 컴프레서(1)의 압축피스톤(3)을 상사점과 하사점사이에서 왕복운동시킨다. 외부압축공기는 배관(21)을 통해 팽창기(22)의 팽창실린더(23)안에 도입되고, 팽창피스톤(24)을 밀어 냉각유닛을 작동시킨다. 이 작동장치는 시스템이 일단 작동개시한 후에는 셀모터(42)를 정지해도 이미 팽창기(22)의 팽창피스톤(24)이 고속이고 연속적으로 왕복운동하고 있으므로, 그 관성력에 의해 외부압축공기만에 의한 구동이 가능하게 된다.

이 실시형태에 의하면, 냉각장치는 외부컴프레서(도시생략)에 의한 외부압축공기라는 한 개의 동력원으로 컴프레서(1)와 팽창기(22)가 연동해서 구동하고, 또, 팽창기(22)의 단열팽창에너지를 컴프레서(1)의 압축에너지로서 유효하게 이용하고 있으므로 경제적으로 작동하는 것이 된다.

또, 도 8에서는 제1열교환기(5)의 하류측 배관(21)에 도입관(41)을 접속하고 있지만, 제1열교환기(5)의 상류측 배관(6)에 도입관(41)을 접속해서 외부압축공기를 도입한 경우에서도 동일한 작용효과가 얻어진다.

다음에, 도 9에 나타낸 본 발명에 따른 제3실시형태의 냉각장치에 대해서 설명한다.

이 냉각장치는 상기에 나타낸 제1실시형태의 냉각장치에 냉각유닛의 배관(21)의 제1냉각기(5)와 팽창기(22)사이에 공기건조장치로서의 에어드라이어(61)와, 제2열교환기(62)를 설치한 것이다.

에어드라이어(61)는 예를 들면, 실리카겔이나 활성알루미나 등을 흡착제로 하는 필터를 구비하고, 공기중의 수증기를 필터안에서 화학반응시켜 흡착제거하는 것에 의해, 공기를 건조시키는 것이다.

이러한 에어드라이어(61)에서는 흡착반응시에는 흡착열이 발생한다. 제2열교환기(62)는 에어드라이어(61)와 팽창기(22)사이의 배관(21)에 설치한다. 이 제2열교환기(62)는 제1열교환기(5)와 동일한 구성이다. 제2열교환기(62)는 냉각수와 공기배관사이에서 열교환을 행하여 에어드라이어(61)의 흡착열을 방열하고, 팽창실린더(23)에 흡기하는 압축공기의 온도를 보다 낮게 하는 것이다.

이 경우, 공기를 팽창실린더(23)에 보내기 전에 공기중에 포함되는 수분을 제거할 수 있으므로, 냉각장치의 작동의 방해가 되는 팽창실린더(23)내 또는 냉기배기용 매니폴드(70)내 등에서의 결로나 빙결을 없앨 수 있다.

도, 에어드라이어(61)는 컴프레서(1)에 공기를 도입하는 도입배관(43) 또는 컴프레서(1)와 제1열교환기(5)사이의 배관(6)에 설치해도 좋다. 이 경우, 제1열교환기(5)로 에어드라이어통과후의 공기를 냉각할 수 있으므로, 제2열교환기(62)는 불필요하다.

다음에 도 10에 나타낸 본 발명에 따른 제4실시형태에 따른 냉각장치에 대해서 설명한다.

이 냉각장치는 상기에 나타낸 제3실시형태의 냉각장치에 제1도입배관(72)과, 제2도입배관(73)을 설치한 것이다. 제1도입배관(72)은 냉기배기용 매니폴드(70)가 개구하는 냉기배기공간(71)으로부터 도입배관(43)에 연통해서 압축실린더(2)에 냉기배기공간(71)의 공기를 도입한다. 제2도입배관(73)은 냉기배기용 매니폴드(70)로부터 냉기를 일부 꺼내서 압축실린더(2)에 도입한다.

제1도입배관(72)은 예를 들면 냉기배기공간(71)으로서의 냉각장치가 부착되는 냉동창고 등의 폐쇄공간, 또는 공구절삭부를 향해 개구한 냉기배기구멍의 근방 등에 도입구(72a)를 설치한 것이다. 이러한 도입구로부터 도입하는 공기는 통상의 외기에 비해 차고 건조한 공기이다. 따라서, 이 공기를 다시 냉각장치에 도입함으로써, 에어드라이어(61)가 제거하는 공기중의 수분이 적게 되므로,에어드라이어(61)의 부담이 경감되고, 또, 에어드라이어(61)에서 발생하는 흡착열도 감소하므로, 제2열교환기(62) 또는 제1열교환기(5)의 부담이 경감된다.

제2도입배관(73)은 냉기배기용 매니폴드(70)와 압축실린더(2)의 도입배관(43)을 연결하는 배관이다. 냉기배기용 매니폴드(70)와의 연결부에는 3방향 밸브(74)가 부착되어 있다. 이 제2도입배관(73)은 예를 들면 냉기배기용 매니폴드(70)안의 압력이 소정 압력보다 높은 경우나, 냉각창고 등의 냉기배기공간(71)의 온도가 소정의 온도이하로 된 경우 등, 냉각장치에 있어서 냉기가 필요이상으로 만들어진 경우에, 그 여분의 냉기를 다시 압축실린더(2)에 도입하는 것이다. 이 제2도입배관(73)으로부터 도입되는 공기는 건조한 냉기이므로, 통상의 외기에 비해 보다 차고, 보다 건조한 냉기를 압축실린더(2)에 도입할 수 있다. 이것에 의해, 제1열교환기(5)나 에어드라이어(61) 등의 부담을 경감할 수 있다.

또, 도 10중의 파선(74a)은 이 3방향 밸브를 상시 반정도 개방상태로 한 실시형태를 나타낸다. 이 실시형태는 제1열교환기(5)나 제2열교환기(62)의 냉각수안에 제2도입배관(73)을 통과시키고 나서 도입배관(43)에 연통해서, 제작한 냉기의 일부를 이러한 냉각수의 냉각에 이용한 후, 압축실린더에 도입하는 것으로 해도 좋다.

상술한 실시형태는 모두, 어디까지나 본 발명의 적합한 구체예를 나타낸 것으로서 본 발명은 이들 실시형태에 한정되는 것은 아니고, 그 기술적 사상의 범위내에서 여러가지로 설계변경이 가능하다.

또, 상술한 실시형태는 모두 유성기어기구를 구비한 크랭크장치를 이용한 것을 나타냈지만, 본 발명은 이러한 크랭크장치에 한정되지 않는다. 예를 들면, 압축실린더에 구비하는 크랭크장치의 크랭크축과, 팽창실린더에 구비하는 크랭크장치의 크랭크축을 별체로 구성한 경우이어도, 벨트나 커플링 등의 돌력전달수단으로 각 크랭크축을 연동시킨 것이면, 팽창기에 있어서의 팽창에너지를 컴프레서에 있어서의 압축에너지로서 유효하게 이용할 수 있다.

그런데, 상술한 냉각유닛에 있어서 크랭크장치(9)의 유성기어기구(15)는 팽창실린더(23)의 팽창피스톤(24)이 하사점으로부터 상사점에 이르는 동안에는, 모터(10)가 주도해서 크랭크축(13) 및 유성기어(17)를 전동시키므로, 도 19(A)에 나타내듯이, 유성기어(17)가 자전방향(A)의 앞측에서 맞물리면서 공전할 가능성이 있다. 이것에 대해서, 팽창실린더(23)의 팽창피스톤(24)이 상사점으로부터 하사점에 이르는 동안에는, 팽창피스톤(24)이나 피스톤로드(39) 등을 압축공기가 컴프레서(1)측으로 밀기 때문에, 도 19의 (B)에 나타내듯이, 유성기어(17)가 컴프레서(1)측으로 밀려져서 반드시 자전방향A의 후측에서 맞물리면서 공전하는 것이 된다.

이 때문에, 팽창피스톤(24)의 상사점에 있어서, 압축공기를 팽창실린더(23)안에 흡기했을 때에, 유성기어(17)의 맞물림이 자전방향의 앞측의 맞물림으로부터 후측의 맞물림으로 변하고, 그때에 치음(齒音)이 나는 경우가 있었다.

이하, 상기 치음이 나는 문제를 해소한 제5실시형태 내지 제7실시형태의 냉각장치를 도면에 근거해서 설명한다.

제5실시형태는 도 11 및 도 12에 나타내듯이 컴프레서(1)와, 압축공기공급통로서의 배관(6, 21)과, 1차냉각기로서의 제1열교환기(5)와, 팽창기(22)와,배기관(26)과, 피스톤로드(8, 39)와, 크랭크장치(9)와, 캠기구(65)와, 구동장치로서의 구동모터(10)를 갖는 단일의 냉각유닛이다.

컴프레서(1), 제1열교환기(5), 팽창기(22), 배기관(26), 피스톤로드(8, 39), 크랭크장치(9)는 각각 제1실시형태의 것과 동일한 구성을 갖으므로, 여기에서는 중복된 설명을 생략한다.

도 13 내지 도 15에 나타내듯이 캠기구(65)는 캠종동자(66)와, 캠종동자(66)를 소정의 궤적을 따라 안내하도록 설정한 캠안내면(67, 68)을 구비한다.

캠종동자(66)는 예를 들면, 크랭크장치(9)의 연결핀(20)의 피스톤로드(8)측의 단부에 베어링을 부착해서 구성한 것이다.

캠안내면(67)은 팽창실린더(23)의 팽창피스톤(24)이 상사점에 도달하기 전에 있어서, 유성기어(17)가 그 자전방향의 후측에서 맞물려서 태양기어(16)를 공전하도록 캠종동자(66)를 안내하는 것이다. 이 실시형태에서는 도시하는 바와 같이 유성기어(17)가 태양기어(16)의 내주를 오른쪽으로 돌아서 공전하고 있으므로, 캠안내면(67)은 팽창실린더(23)의 팽창피스톤(24)이 상사점에 가까워짐에 따라 서서히 실린더축선(L)으로부터 기어의 백래시상당분 상방으로 캠종동자(66)를 안내한다. 이것에 의해, 팽창실리더(23)의 팽창피스톤(24)이 상사점에 도달하기 전에 있어서, 유성기어(17)는 자전방향의 후측에서 맞물리게 된다.

즉, 이 제5실시형태의 냉각장치는 캠기구(65)의 작용에 의해 팽창피스톤(24)이 상사점에 도달하기 이전에 유성기어(17)가 자전방향으로 후측에서 맞물리도록 하고 있으므로, 맞물림이 역전하는 것에 의한 큰 치음의 발생을 해소할 수 있다.

캠안내면(68)은 팽창실린더(23)의 팽창피스톤(24)이 하사점에 도달하기 전에 있어서, 유성기어(17)가 그 자전방향의 앞측에서 맞물려서 태양기어(16)를 공전하도록 캠종동자(66)를 안내하는 것이다. 이 실시형태에서는 도시하듯이 유성기어(17)가 태양기어(16)의 내주를 오른쪽으로 돌아 공전하고 있으므로, 캠안내면(68)은 팽창실린더(23)의 팽창피스톤(24)이 하사점에 가까워짐에 따라, 서서히 실린더축선(L)으로부터 기어의 백래시상당분 하방으로 캠종동자(66)를 안내한다. 이것에 의해, 팽창실린더(23)의 팽창피스톤(24)이 하사점에 도달하기 전에 유성기어(17)는 자전방향의 앞측에서 맞물리도록 된다.

즉, 이 제5실시형태의 냉각장치는 캠기구(65)의 작용에 의해 팽창피스톤(24)이 하사점에 도달하기 이전에 유성기어(17)가 자전방향으로 앞측에서 맞물리도록 하고 있으므로, 모터(10)로부터 원활하게 구동력을 받아 전동할 수 있고, 또, 맞물림이 역전하는 것에 의한 큰 치음의 발생도 해소할 수 있다.

또, 유성기어(17)의 치음은 팽창실린더(23)에 압축공기를 흡기하는 경우에 발생하는 치음이 특히 크다. 이 치음만의 해소를 꾀하는 경우에는, 캠기구(65)는 캠안내면(68)을 생략하고, 캠안내면(67)만을 설치해도 좋다.

다음에, 도 16 내지 도 18에 나타낸 본 발명에 따른 제6실시형태의 냉각장치에 대해서 설명한다.

도 16에 나타내듯이, 이 냉각장치는 압축실린더유닛(81)과, 팽창실린더유닛(82)과, 피스톤로드(83)와, 크랭크장치(9)와, 구동장치로서의 모터(10)와, 압축공기공급통로서의 배관(87)과, 1차냉각기로서의 1차열교환기(5)와, 에어드라이어(89)와, 2차열교환기(90)와, 냉기배기용 매니폴드(70)를 구비한다. 또, 도 16 내지 도 18에 있어서, 상기 제1실시형태에 따른 냉각장치와 동일한 구성을 갖는 부재는 같은 부호를 붙여 그 중복설명을 생략한다.

도 17에 나타내듯이, 압축실린더유닛(81)은 2개의 압축실린더(2)를 동일한 실린더축선(L1)상에 실린더헤드를 외측을 향해 대향배치한 것이고, 각 압축실린더(2)에 왕복운동가능하게 수용한 압축피스톤(3)이 동주기로 180°의 위상차로 왕복운동하도록 각각 피스톤로드(83)에 피봇연결한 것이다.

각 압축실린더(2)는 제1실시형태의 컴프레서(1)의 압축실린더(2)와 동일한 것으로, 실린더헤드에 흡기밸브(4)와 배기밸브(7)를 갖고, 외기를 흡기하여 압축공기를 배기하는 것이다.

도 18에 나타내듯이, 팽창실린더유닛(82)은 2개의 팽창실린더(23)를 동일한 실린더축선(L2)상에 실린더헤드를 외측을 향해 대향배치한 것이고, 각 팽창실린더(23)에 왕복운동가능하게 수용한 팽창피스톤(24)이 동주기로 180°의 위상차로 왕복운동하도록 각각 피스톤로드(83)에 피봇연결한 것이다.

각 팽창시린더(23)는 제1실시형태의 팽창기(22)의 팽창실린더(23)와 동일한 것으로, 살린더헤드에 흡기밸브(25), 배기밸브(27) 및 밸브구동기구(28)를 갖고, 소정의 타이밍으로 팽창실린더(23)안에 압축공기를 흡기하고, 단열팽창시켜 냉기를 배기하는 것이다. 또, 팽창실린더(23)는 팽창시의 공기의 단열성을 확보한 단열실린더이고, 배기관(26)은 팽창기(22)로부터 배기되는 냉기의 단열성을 확보하기 위해 단열재(26a)로 각각 피복되어 있다.

또, 피스톤로드(83)는 1개의 피스톤로드이어도 좋지만, 2개의 피스톤로드를 핀(40)으로 연결한 가운데가 꺾일 수 있는 피스톤로드로 하고 있다.

크랭크장치(9)는 제1실시형태의 크랭크장치(9)와 마찬가지로, 유성기어기구(15)를 구비한 것으로, 상기 실린더유닛(81, 82)의 피스톤로드(83)에 연결한 연결핀(91)을 실린더축선을 따라 왕복운동하는 것이다.

모터(10)는 압축실린더유닛(81)의 크랭크축(13)을 회전구동하는 구동원이 되는 것이다. 또, 압축실린더유닛(81)의 크랭크축(13)과 팽창실린더유닛(82)의 크랭크축(13)은 동력전달수단으로서의 벨브 또는 커플링 등으로 서로 연동하도록 연결하고 있다.

압축실린더유닛(81)의 각 압축실린더(2)에 의해 배기되는 고온의 압축공기는 배관(87)을 통해 압축공기수집용 매니폴드(88)에 모아지고, 제1열교환기(5), 에어드라이어(89), 제2열교환기(90)에 차례로 보내지고 나서 팽창실린더유닛(82)으로 흡기시킨다.

여기에서, 제1열교환기(5)는 상기 제1실시형태의 제1열교환기(5)와 동일한 것이도, 압축공기를 거의 상온까지 1차냉각한다. 에어드라이어(89)는 예를 들면 시리카겔이나 활성알루미나 등의 흡착재로 하는 필터를 구비하고, 공기중의 수증기를 필터안에서 화학반응시켜 흡착제거함으로써, 공기를 건조시키는 것이다. 제2열교환기(90)는 제1열교환기(5)와 동일한 구성을 갖고, 에어드라이어(89)에서 발생하는 흡착열을 제거하고, 팽창실린더(23)에 흡기하는 압축공기의 온도를 보다 낮게 하는 것이다.

팽창실린더(23)는 팽창피스톤(24)이 상사점을 지나 하사점으로 이행하기 시작하는 얼마동안만 흡기밸브(25)를 개방하고, 압축공기를 팽창실린더(23)안에 흡기한다. 팽창실린더(23)는 팽창피스톤(24)이 하사점에 이르는 동안에, 팽창실린더(23)내에서 압축공기를 대기압가까이까지 단열팽창해서 냉기를 만들고, 팽창피스톤(24)이 하사점에서 상사점에 이르는 동안에 배기밸브(27)를 열어 냉기를 배기한다. 팽창실린더유닛(82)으로부터 배기된 냉기는 냉기배기용 매니폴드(70)에서 모아져서 목적물의 냉각에 이용된다.

압축실린더유닛(81)과 팽창실린더유닛(82)은 각각의 크랭크장치(9)의 크랭크축(13)을 벨트 또는 커플링 등으로 서로 연동하도록 연결하고, 팽창실린더유닛(82)의 크랭크축(13)으로부터 압축실린더유닛(81)의 크랭크축(13)으로 팽창에너지를 전달하고 있다. 이것에 의해, 모터(10)의 부담을 경감할 수 있어 경제적인 동시에, 팽창에너지를 압축실린더유닛(81)에 있어서의 압축에너지에 이용할 수 있다. 즉, 이 냉각장치는 팽창실린더(23)안의 압축공기로부터 많은 열에너지를 빼앗을 수 있고, 온도가 낮은 냉기를 만들 수 있게 된다.

이 실시형태에서는 압축실린더유닛(81)의 크랭크장치(9)는 항상 모터(10)가 주도해서 회전하고, 유성기어(17)가 자전방향의 앞측에서 맞물리면서 공전하므로, 맞물림이 역전하는 것에 의한 큰 치음이 없다. 또, 팽창실린더유닛(82)의 크랭크장치(9)는 항상 어느 한 쪽의 팽창피스톤(24)으로부터 팽창에너지를 얻어 회전하고, 유성기어(17)가 자전방향의 후측에서 맞물리면서 공전하므로, 맞물림이 역전하는 것에 의한 큰 치음이 없다.

다음에, 도 16에 근거해서 본 발명에 다른 제7실시형태에 대해서 설명한다.

또, 이 실시형태의 기본구성은 제6실시형태의 냉각장치와 같다.

도 16에 있어서의 배관(91)은 도시하지 않은 증압용 압축실린더유닛에 의해 배기되는 고온의 압축공기를 보내는 것이다.

이 증압용 압축실린더유닛은 도 18에 나타낸 제6실시형태의 압축실린더유닛(81)과 동일한 것으로, 적시에 필요에 따라 작동하도록 구성한 것이다. 증압용 압축실린더유닛의 구동원은 예를 들면 팽창실린더유닛(82)의 크랭크장치(9)의 크랭크축(13)에 동력전달이 접촉이간조작가능한 클러치기구(도시생략)를 통해 연결해도 좋고, 또한 별개로 독립한 모터(도시생략)를 구동원으로서 작동하는 것이어도 좋다.

또, 팽창실린더유닛(82)의 크랭크장치(9)의 크랭크축(13)에 클러치기구를 통해 연결하는 경우에는, 상술한 바와 같이 팽창실린더유닛(82)의 팽창에너지를 이용할 수 있으므로, 별개로 독립한 모터를 구동원으로 하는 경우에 비해 보다 경제적이고, 또, 팽창실린더(23)내의 압축공기로부터 많은 열에너지를 빼앗을 수 있으므로, 보다 온도가 낮은 냉기를 만들 수 있는 것이 된다.

제7실시형태의 냉각장치는 예를 들면, 시동시에 있어서 압축공기수집용 매니폴드(88)안의 공기의 압력이 소정의 압력보다 낮은 경우, 또는 보다 낮은 온도의 냉기를 만들기 위해 압축공기수집용 매니폴드(88)안의 공기의 압력을 더욱 높게 하고 싶은 경우에 이 증압용 압축실린더유닛이 작동하도록 구성한 것이다.

이것에 의해, 예를 들면 시동시에 있어서 증압용 압축실린더유닛을 작동시켜서, 팽창실린더유닛(82)에 흡기하는 압축공기의 압력을 조기에 소정의 압력으로 할 수 있으므로, 소정 온도의 냉기가 선택되기 까지의 시간을 단축할 수 있다. 또, 팽창실린더유닛(82)에 흡기하는 배관에 기압측정센서(95)와 감압장치(93)를 설치하고, 또한, 냉기배기용 매니폴드(70)안에 제작한 냉기의 온도를 측정하는 온도센서(94)를 부착함으로써 팽창실린더유닛(82)에 흡기하는 압축공기의 압력을 자유롭게 증·감압 조정할 수 있게 되므로, 원하는 온도의 냉기가 얻어지도록 구성할 수 있다.

예를 들면, 제어장치(도시생략)에 의해, 온도센서(94)가 감지한 냉기의 온도가 원하는 온도보다 높은 경우(제작한 냉기의 온도를 보다 낮게 하고 싶은 경우)에는, 증압용 압축실린더유닛을 작동해서, 기압측정센서(95)로 감지하는 팽창실린더유닛(82)에 흡기하는 압축공기의 압력을 증압조정해서 온도센서(94)가 원하는 온도를 감지하도록 제어한다. 반대로, 제어장치(도시생략)에 의해 온도센서(94)가 감지한 냉기의 온도가 원하는 온도보다 낮은 경우(제작한 냉기의 온도를 보다 높게 하고 싶은 경우)에는 감압장치(93)를 작동해서 기압측정센서(95)로 감지하는 팽창실린더유닛(82)에 흡기하는 압축공기의 압력을 증압조정해서 온도센서(94)가 원하는 온도를 감지하도록 제어한다.

상술한 바와 같이, 제7실시형태에 의하면, 압축실린더유닛(81)과 팽창실린더유닛(82)이 동주기로 작동한 경우에 곤란했던 냉기의 온도조정 등을 용이하게 행할 수 있다.

이상, 본 발명에 따른 냉각장치의 일실시형태에 대해서 설명했지만, 본 발명은 상기형태에 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 효과를 이하에 서술한다.

(1)본 발명에 따른 냉각장치는 소정의 위상차로 작동하는 복수의 냉각유닛에 의해 발생하는 냉기를 하나로 모아 배기하므로, 각 냉각유닛의 발생냉기에 발생한 맥동이 합성되고, 배기냉기에 있어서 맥동을 없앨 수 있다.

(2)냉각장치의 구동을 냉각유닛의 크랭크축에 설치한 시동용 구동장치와, 압축공기공급통로에 구동용 외부압축공기를 공급하는 것으로 한 것은 구동용 외부압축공기만으로 구동시킬 수 있으므로, 냉각유닛의 구동을 효율좋은 것으로 할 수 있다.

(3)본 발명의 냉각장치는 압축실린더에 공기를 도입하는 도입통로나 압축실린더의 배기구멍과 팽창실린더의 흡기구멍을 연통하는 압축공기공급통로에 공기건조장치를 설치했기 때문에 압축공기의 팽창행정전에 공기중의 수분을 제거해서 팽창실린더내 등에 있어서의 결로·빙결을 방지할 수 있다.

(4)본 발명의 냉각장치는 냉기배기용 매니폴드나 냉기배기공간으로부 압축실린더에 공기를 도입하는 도입배관을 설치해서, 이들 장소로부터 압축실린더에 도입하는 공기의 일부를 얻기 때문에, 통상의 외기보다 차갑고 건조한 공기를 도입할 수 있고, 공기건조장치나 열교환기의 부담을 경감할 수 있다.

(5)본 발명의 냉각장치는 각 냉각유닛의 크랭크장치를 연동시키는 연동수단으로 연동하고, 그 중의 하나의 크랭크장치에 큰 플라이휠을 설치했기 때문에, 다른 크랭크장치의 동작은 큰 플라이휠이 설치된 크랭크장치의 동작에 주도되고, 동기로 소정의 위상차로 종동하는 구성으로 되고, 각 크랭크장치에 플라이휠을 설치하는 경우보다 저비용화가 도모된다.

(6)본 발명의 냉각장치는 냉각유닛에 있어서의 팽창기의 팽창실린더를 단열성이 좋은 단열실린더로 구성함으로써, 팽창기에 있어서의 단열팽창이 효율좋게 행해지므로 경제적으로 유리하다.

(7)본 발명의 냉각장치에 있어서, 크랭크장치에 유성기어기구를 구비하고, 각 2개의 실린더 피스톤로드를 직선적으로 연결한 것은, 피스톤슬랩이 발생하기 어렵고 진동·치음·캐비테이션·마모손실 등이 대폭 저감된다. 또, 팽창기의 단열팽창에너지를 컴프레서의 압축에너지로 해서 보다 유효하게 이용할 수 있다.

(8)본 발명에 따른 냉각장치는 압축실린더와 팽창실린더를 동일한 실린더축선에 배치하고, 유성기어기구를 구비한 크랭크장치에 의해 그 피스톤로드를 직선왕복운동하도록 구성한 냉각장치에 유성기어와 피스톤로드의 핀결합부에 캠종동자를 설치하고, 팽창피스톤이 상사점에 도달하기 이전에 유성기어가 자전방향의 후측에서 태양기어에 맞물리도록 캠안내면을 설정한 캠기구를 설치했으므로, 팽창실린더에 압축공기를 흡기했을 때에 이미 유성기어가 자전방향의 후측에서 태양기어에 맞물리고 있고, 맞물림이 역전함으로써 발생한 큰 치음이 없게 된다.

(9)상기 캠기구에, 팽창피스톤이 하사점에 도달하기 이전에 유성기어가 자전방향의 앞측에서 태양기어에 맞물리도록 설정한 안내면을 설치한 냉각장치는 팽창실린더의 하사점에서 상사점에 이르는 동안에, 유성기어가 자전방향의 앞측에서 태양기어에 맞물리므로, 모터주도로 원활하게 작동할 수 있다.

(10)냉각장치를, 압축피스톤을 왕복운동가능하게 수납한 2개의 압축실린더의 각 실린더헤드를 외측을 향한 상태에서 동일한 실린더축선상에 배치한 압축실린더유닛과, 압축피스톤을 왕복운동가능하게 수납한 2개의 팽창실린더의 각 실린더헤드를 외측을 향한 상태에서 동일한 실린더축선상에 배치한 팽창실린더유닛에 유성기어기구를 구비한 크랭크기구에 의해 그 피스톤로드를 실린더축선을 따라 직선왕복운동하도록 구성한 것은, 압축실린더유닛은 모터주도로 작동하고, 팽창실린더유닛은 압축공기의 팽창에너지에 의해 작동하므로, 크랭크기구의 유성기어의 맞물림이 역전하는 일이 없게 되어 큰 치음이 발생하지 않게 된다.

(11)압축실린더의 배기구와 팽창실린더의 흡기구를 연통하는 압축공기공급통로에 적시에 작동조작가능한 컴프레서로부터 공급되는 압축공기를 공급하도록 구성한 냉각장치는 이 컴프레서를 적시에 작동조작함으로써, 팽창실린더에 흡기하기 전의 압축공기의 압력을 증압조정하는 것이 가능하므로, 압축실린더와 팽창실린더가 연동하는 냉각장치로, 제작냉기의 온도를 조정하는 것이 가능하게 된다.

(12)냉각장치에 압축공기공급통로에 설치한 감압장치와, 제작한 냉기의 온도를 측정하는 온도센서를 구비하고, 상기 온도센서에 기초해서 압축공기공급통로의 공기의 압력을 증·감압조정하도록, 감압장치와 컴프레서를 적시에 조작하도록 구성했으므로, 압축실린더와 팽창실린더가 연동하는 냉각장치로, 원하는 온도의 냉기가 얻어지도록 구성할 수 있다.

Claims

압축피스톤을 왕복운동가능하게 수납한 한 개 또는 복수의 압축실린더와, 팽창피스톤을 왕복운동가능하게 수납한 복수의 팽창실린더와, 한 개 또는 서로 연동해서 동주기로 회전하는 복수의 크랭크축과, 상기 크랭크축으로부터 크랭크핀을 통해 상기 압축피스톤을 왕복운동가능하게 연결하는 제1크랭크기구와, 상기 크랭크축으로부터 크랭크핀을 통해 상기 팽창피스톤을 각각 소정의 위상차로 왕복운동가능하게 연결하는 제2크랭크기구와, 상기 각 크랭크축을 회전구동하는 구동장치와, 상기 압축실린더의 흡기구로부터 도입되어 상기 각 압축실린더의 내부에서 압축된 압축공기를 배기하는 배기구와, 상기 각 팽창실린더의 흡기구를 각각 연통하는 압축공기공급통로와, 상기 압축공기공급통로에 배치된 1차냉각기와, 상기 각 팽창실린더안에서의 단열적 팽창에 의해 저온으로 된 공기를 외부로 배기하는 복수의 배기구를 연통하는 냉기배기용 매니폴드를 갖는 것을 특징으로 하는 냉각장치.
제1항에 있어서, 상기 구동장치 대신에, 상기 크랭크축을 시동시에 회전구동하는 시동용 구동장치와, 상기 압축공기공급통로에 소정압의 구동용 압축공기를 공급하는 압축공기공급원을 갖는 것을 특징으로 하는 냉각장치.
압축피스톤을 왕복운동가능하게 수납한 한 개 또는 복수의 압축실린더와, 팽창피스톤을 왕복운동가능하게 수납한 한 개 또는 복수의 팽창실린더와, 한 개 또는서로 연동하는 복수의 크랭크축과, 상기 크랭크축으로부터 크랭크핀을 통해 상기 각 압축피스톤을 왕복운동가능하게 연결하는 제1크랭크기구와, 상기 크랭크축으로부터 크랭크핀을 통해 상기 각 팽창피스톤을 왕복운동가능하게 연결하는 제2크랭크기구와, 상기 크랭크축을 회전구동하는 구동장치와, 상기 압축실린더의 흡기구로부터 도입되어 상기 각 압축실린더의 내부에서 압축된 압축공기를 배기하는 배기구와, 상기 각 팽창실린더의 흡기구를 각각 연통하는 압축공기공급통로와, 상기 압축공기공급통로에 배치된 1차냉각기와, 상기 압축실린더의 흡기구에 공기를 도입하는 흡기통로 또는 상기 압축공기공급통로에 배치되는 공기전조장치와, 상기 각 팽창실린더안에서의 단열적 팽창에 의해 저온으로 된 공기를 외부로 배기하는 복수의 배기구를 연통하는 냉기배기용 매니폴드를 갖는 것을 특징으로 하는 냉각장치.
제3항에 있어서, 공기건조장치가 압축공기공급통로의 1차냉각기보다 압축실린더측에 배치된 경우에, 공기건조장치와 압축실린더사이에 2차냉각기를 구비한 것을 특징으로 하는 냉각장치.
제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 압축실린더의 흡기구에 공기를 도입하는 도입배관이 상기 냉기배기용 매니폴드의 냉기배기공간에 개구하고, 냉기배기용 매니폴드로부터 배기된 공기를 압축실린더안에 도입하는 것을 특징으로 하는 냉각장치.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 압축실린더의 흡기구에 공기를 도입하는 도입배관이 상기 냉기배기용 매니폴드에 연통하고, 냉기배기용 매니폴드내의 공기의 일부를 압축실린더내에 도입하는 것을 특징으로 하는 냉각장치.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 크랭크축 중 한 개의 크랭크축에 냉각장치의 안정동작을 책임지기 위한 플라이휠을 설치한 것을 특징으로 하는 냉각장치.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 단열실린더는 내외로 겹쳐진 통체로 구성되고, 그 내부통이 스텐레스로 구성되는 것을 특징으로 하는 냉각장치.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 각 실린더를 2개씩, 실린더헤드를 서로 외측을 향해서 동일한 실린더축선을 따라 대향배치하고, 상기 양 실린더의 피스톤을 연결하는 동시에, 상기 실린더축선을 따라 직선왕복운동하는 피스톤로드와, 상기 2개의 실린더사이에서 실린더축선에 그 피치원의 중심축을 직교하는 동시에, 실린더축선과 평행하게 고정적으로 배치한 내주태양기어와, 상기 내주태양기어의 피치원직경에 대해서 1/2의 피치원직경을 갖고, 맞물려서 자동 및 공전가능하게 배치한 유성기어와, 상기 내주태양기어의 피치원의 중심축둘레에 회전이능하게 배치한 크랭크축과, 상기 크랭크축의 반경방향으로 돌출하게 설치하여 상기 유성기어의 자전축을 회전가능하게 지지하는 암부를 갖고, 상기 유성기어의 피치원의 원주상에서 상기 피스톤로드의 중간부를 핀결합하는 크랭크기구를 갖는 것을 특징으로 하는 냉각장치.
압축피스톤을 왕복운동가능하게 수납한 압축실린더와, 팽창피스톤을 왕복운동가능하게 수납한 복수의 팽창실린더를, 각 실린더헤드를 외측을 향한 상태에서 동일한 실린더축선상에 배치한 실린더유닛과, 상기 실린더유닛의 압축피스톤과 팽창피스톤을 연결하는 동시에, 실린더유닛의 축선을 따라 직선왕복운동하는 피스톤로드와, 상기 실린더유닛의 실린더사이에서 실린더축선에 그 피치원의 중심축을 직교하는 동시에, 실린더축선과 평행하게 고정적으로 배치한 내주태양기어와, 상기 내주태양기어의 피치원직경의 1/2의 피치원직경을 갖고, 맞물려서 자전 및 공전가능하게 배치한 유성기어와, 상기 내주태양기어의 피치원의 중심축둘레에 회전이능하게 배치되는 크랭크축과, 상기 크랭크축의 반경방향으로 돌출하게 설치하여 상기 유성기어의 자전축을 회전가능하게 지지하는 암부를 갖고, 상기 유성기어의 피치원의 원주상에서 상기 피스톤로드의 중간부를 핀결합하는 크랭크기구와, 상기 크랭크축을 회전구동하는 구동장치와, 상기 압축실린더의 흡기구로부터 도입되어 상기 압축실린더의 내부에서 압축된 압축공기를 배기하는 배기구와, 상기 각 팽창실린더의 흡기구를 각각 연통하는 압축공기공급통로와, 상기 압축공기공급통로에 배치된 1차냉각기와, 상기 각 팽창실린더안에서의 단열적팽창에 의해 저온으로 된 공기를 외부로 배기하는 배기구를 연통하는 냉기배기용 매니폴드를 갖는 것을 특징으로 하는냉각장치.
제10항에 있어서, 상기 유성기어와 피스톤로드의 핀결합부에 캠종동자를 설치하고, 팽창피스톤이 상사점에 도달하기 이전에 유성기어가 자전방향의 앞측에서 태양기어에 맞물리도록 캠안내면을 설정한 캠기구를 구비하는 것을 특징으로 하는 냉각장치.
제11항에 있어서, 상기 캠기구는 팽창피스톤이 하사점에 도달하기 이전에 유성기어가 자전방향의 앞측에서 태양기어에 맞물리도록 설정한 캠안내면을 갖는 것을 특징으로 하는 냉각장치.
압축피스톤을 왕복운동가능하게 수납한 두 개의 압축실린더의 각 실린더헤드를 외측을 향한 상태에서 동일 실린더축선상에 배치한 압축실린더유닛과, 압축피스톤을 왕복운동가능하게 수납한 두 개의 팽창실린더의 각 실린더헤드를 외측을 향한 상태에서 동일 실린더축선상에 배치한 팽창실린더유닛과, 상기 각 실린더유닛에 각각 구비되고, 각 실린더유닛의 두 개의 피스톤을 연결하는 동시에, 실린더유닛의 축선을 따라 직선왕복운동하는 복수의 피스톤로드와, 상기 각 실린더유닛의 실린더사이에서 실린더축선에 그 피치원의 중심축을 직교하는 동시에, 실린더축선과 평행하게 고정적으로 배치한 내주태양기어와, 상기 내주태양기어의 피치원직경의 1/2의 피치원직경을 갖고, 맞물려서 자전 및 공전가능하게 배치한 유성기어와, 상기 내주태양기어의 피치원의 중심축둘레에 회전가능하게 배치되는 크랭크축과, 상기 크랭크축의 반경방향으로 돌출하게 설치하여 상기 유성기어의 자전축을 회전가능하게 지지하는 암부를 갖고, 상기 유성기어의 피치원의 원주상에서 상기 피스톤로드의 중간부를 핀결합하는 크랭크기구와, 상기 각 실린더유닛에 구비되는 크랭크축을 서로 연동시키는 동력전달수단과, 상기 크랭크축을 회전구동하는 구동장치와, 상기 각 압축실린더의 흡기구로부터 도입되어 상기 압축실린더의 내부에서 압축된 압축공기를 배기하는 배기구와, 상기 각 팽창실린더의 흡기구를 각각 연통하는 압축공기공급통로와, 상기 압축공기공급통로에 설치된 1차냉각기와, 상기 각 팽창실린더안에서의 단열적팽창에 의해 저온으로 된 공기를 외부로 배기하는 배기구를 연통하는 냉기배기용 매니폴드를 갖는 것을 특징으로 하는 냉각장치.
제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 압축공기공급통로에 적시에 작동조작가능한 증압용 컴프레서로 제작한 압축공기를 공급하는 것을 특징으로 하는 냉각장치.
제14항에 있어서, 상기 압축공기공급통로에 기압측정센서와 감압장치를 설치하고, 상기 냉각용 매니폴드안에 온도센서를 설치하고, 상기 온도센서 및 기압측정센서에 기초해서 압축공기공급통로의 공기의 압력을 증·감압조정하여 원하는 온도의 냉기를 얻도록 구성한 것을 특징으로 하는 냉각장치.