JPH0417334B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、ギフオードマクマホンサイクルを利
用した冷凍装置の改良に関するものである。

（従来技術） 従来、この種装置としては、第４図々示のもの
（特公昭46−10255号）がある。これは、シリンダ
１内にデイスプレーサピストン２を内装し、両端
にそれぞれ区画形成された一方の作動室３と他方
の作動室４を備える。該各作動室３，４はその容
積を該ピストン２の往復作動によつて相対的に増
減変化させる。該一方の作動室３は蓄熱器５を介
して他方の作動室４に連通する。該一方の作動室
３はそれぞれ吸入弁６と排出弁７を介在し、かつ
共に圧縮機８に導通した高圧流体源９と低圧貯槽
１０に連通されている。前記ピストン２は、収納
ケース１１に内装したロツド１２を介接して回転
駆動するモータ１３に弾み車１４のクランク１５
を介して連動され前記吸入弁６と排出弁７の開閉
作動に同期してシリンダ１内を往復作動可能に構
成されている。該一方の作動室３はその最大容積
が該ピストン２の往復作動に伴つて減少されると
きには、該吸入弁６を開路し排出弁７を閉路さ
せ、該一方の作動室３への高圧流体源９から高圧
冷凍流体の追加補充を図る。また、他方の作動室
４はその最大容積が該ピストン２の往復作動に伴
つて減少されるときには、該排出弁７を開路し吸
入弁６を閉路させ該他方の作動室４内への高圧作
動流体の供給を断ち、該他方の作動室４内で膨張
冷却された作動流体を低圧貯槽１０へ導入し外部
での冷凍利用を図る。

上記構成からなる従来装置は、以下のようなギ
フオードマクマホンサイクルを司る。すなわち、
高圧流体源９から高圧phの冷凍流体を一方の作
動室３に追加供給し該ピストン２の往復作動によ
つて該一方の作動室３内に残留する冷凍流体を加
圧する。これにより、残留流体は、高圧状態にな
り温度上昇する。該加熱された残留流体と追加補
充された高圧流体とは混合され平均温度の混合流
体を生ぜしめる。該混合流体は、一方の作動室３
からピストン２の内部を通じて他方の作動室４に
供給されるが、該流路に沿つて設けられた蓄熱器
５によつて熱が取り除かれ、所定温度まで低下し
冷却が図られる。他方の作動室４では、流体の膨
張が行なわれつつ、高圧流体の供給が継続され、
該他方の作動室４を充満するに至つて高圧流体の
供給が停止される。その間、該他方の作動室４内
では、該作動流体が膨張に伴つて冷却され流体温
度をさらに低下する。この低温作動流体は蓄熱器
５より排出弁７を通じて低圧貯槽１０へ導出され
外部の冷凍に利用される。この場合、該作動流体
の一部は、所定温度まで上昇したのち該蓄熱器５
を逆流して加熱される。そしてギフオードマクマ
ホンサイクルの末期において、一方の作動室３に
は低圧PLの作動流体が残留され、以後の該サイ
クルに有効利用されるのである。

（発明が解決しようとする問題点） 従来装置は、シリンダ１とデイスプレーサピス
トン２の両端にそれぞれ配設した一方の作動室３
と他方の作動室４とが蓄熱器５を通じて導通され
ている。そして、該ピストン２をモータ１３に連
係作動させ、シリンダ１やケース１１内に収納し
たロツド１２は、これの断面積が理想としては零
であれば、シリンダ１内の作動流体圧によつて該
ピストン２の往復作動に支障を来たすような力は
生じない。このため、該ピストン２を往復作動さ
せるモータ１３の駆動力は、機械的損失を保障す
るだけの小さな力で事足りる。しかしながら、現
実にあつては、該ロツド１２の断面積を零とする
ことは、上記構成上不可能である。そして、該ロ
ツド１２の左存在によつて該ロツド１２には、ロ
ツド断面積×（各作動室内の作動流体圧カーケー
ス内の圧力）から成る力が作用することとなり、
該ピストン２の往復作動に支障を来たすのであ
る。かかる力に抗して該ピストン２を往復駆動す
るためには、大きな駆動力をもたらす大型で高価
なモータ１３が必要となる。このため、従来装置
は改造を余儀なくされ装置全体の大型化や消費動
力の増大を招き、過剰な駆動力の割には冷凍性能
の向上が図れないといつた実用上解決すべき問題
がある。

かかる従来装置の問題点を解消するものとし
て、ロツド１２の収納ケース１１内に各作動室
３，４内の作動流体圧力を導くことが考えられ
る。

これは、収納ケース１１と各作動室３，４との
間における圧力差によつてピストン２への往復作
動に支障を来たす力の発生を押えることができ
る。しかしながら、これは該ピストン２を往復作
動させるための駆動力をもたらすことまではでき
なく、又作動スペースの死容積の増大を招くこと
となつて冷凍能力の低下を来たす。

（問題点を解決するための手段） 本発明は、上記従来装置の問題を解消するもの
で、作動流体の圧力差を有効利用してピストン往
復用の駆動力を生起させ、モータを補助して駆動
力の強化を積極的に図ると共に、該モータの負荷
を著しく低減し該モータの小型化を図りかつ作動
スペースの有効利用を図つて死容積を激減し冷凍
能力の向上を図るようにした冷凍装置を提供する
ものである。

即ち、本発明の冷凍装置は、所定容積を有する
シリンダ内に往復動可能に収納したデイスプレー
サピストンと、該ピストンに連係すると共に、モ
ータに連動して該ピストンを往復駆動させ、かつ
ケース内に収納したロツドと、該シリンダ内で該
ピストンの両端に備えられ該ピストンの往復動に
よりそれぞれの容積を相対的に増減変化させ高圧
作動流体を追加補充並びに膨張冷却する第１作動
室及び第２作動室と、該第１作動室と該第２作動
室とを連通する蓄熱器と、該第１作動室にそれぞ
れ吸入弁及び排出弁を介して連通し、かつ共に圧
縮機に導通した高圧作動流体源と低圧貯槽とから
成る冷凍装置であつて、前記ケース内に設け該ロ
ツドのピストン部を収納し所定容積を有する第２
シリンダと、該ロツドのピストン部と該第２シリ
ンダの間に気密性良好に備えられ該ピストン部の
往復動により容積を可変とした駆動室と、該駆動
室側へのみ導通可能とし前記第１作動室に連通す
る該排出弁と低圧貯槽の間に介接して該駆動室に
連通する逆止弁とを備えた構成である。

本発明の冷凍装置は各種分野に適用可能であ
り、前記ケースやピストンのロツド等を有効利用
するもので部品点数の低減を図り装置自体のコン
パクト化を図ることができる。該ロツドはピスト
ンに連係しかつモータに連係した弾み車のクラン
クに連結して該ピストンを往復作動可能にしてあ
るので共に効率良く連係作動することができる。
該ロツドの端部はピストン状の外側面を有すると
共に、該ロツドを収納する第２シリンダは内側面
を有し内部に該ロツドを安定、円滑に効率良く往
復作動可能に内装できる。該ロツドのピストン部
と該第２シリンダとの間に、気密性良好で該ロツ
ドの往復動により容積を可変とした駆動室を構成
してあるので、必要最小限の占有スペースで事足
り、該ピストン部の往復作動を応答性良好で安
定、円滑にでき何等の支障を来たさない。前記逆
止弁は、該駆動室側へのみ導通可能とし該排気弁
と低圧貯槽の間に介接して該駆動室に連通する構
成のため、取付場所に制約はなく装置に対し外
装、内装を問わず、チエツクボールバルブ、フエ
ザーバルブ等の他にリツプ型シール等のシール部
材を有効利用することができる。

（作用） 上記構成からなる本発明の冷凍装置は、前記モ
ータによるピストンの往復作動に加えて該駆動室
と該一方の作動室との圧力差により該ロツドのピ
ストン部を往復動させて該ピストン往復用の駆動
力を生起する。すなわち、該駆動室内における最
低圧力を第１作動室内における作動流体の最低圧
力とほぼ等しくすることにより該ピストンの往復
作動に支障を気たす力が生起するのを抑止して該
ピストン部に働く圧力差により該ピストン往復用
の駆動力を効率良く生起できるのである。詳述す
れば、第３図中、曲線Ａは第１作動室内で発生す
る作動流体の圧力変化を示すもので、ピストンの
上死点から下死点を通じて常に該ピストンを上向
きに作動させる傾向を有する圧力成分である。一
方、曲線Ｂはロツドのピストン部を内装する駆動
室内で発生する作動流体の圧力変化を示すもの
で、その最低圧力が、前記第１作動室における作
動流体の最低圧力PLとほぼ等しくなり前記曲線
Ａに対応した傾向を有する圧力成分である。これ
ら曲線Ａ、及びＢを合成したのが曲線Ｃである。
該曲線Ｃには斜線で示す部分が少し発生してピス
トンの往復作動に対し若干の負荷となるが全体を
通じて小さく実用上問題はない。

（実施例） 本発明装置の一実施例を図面に基づき説明す
る。

本実施例の冷凍装置は、第１図々示のように、
装置本体内に所定容積を有し中空円筒状のシリン
ダ２１を有する。該シリンダ２１内には筒状のデ
イスプレーサピストン２２が軸方向往復作動可能
に収納されている。該ピストン２２の一端には装
置本体２０のケース２３内に収納したロツド２４
の一端が一体的に連係されている。該ロツド２４
の中央部はモータ２５の回転を直線運動に変換す
る弾み車２６のクランク２７に連結され、該ピス
トン２２を該シリンダ２１内で往復作動可能に構
成されている。該シリンダ２１と該ピストン２２
の両端にはそれぞれ区画して備えられ該ピストン
２２の往復作動によりそれぞれの容積を相対的に
増減変化しヘリウムのような高圧作動流体を追加
補充して加圧並びに膨張冷却する第１作動室２８
と第２作動室２９を有する。該第１作動室２８は
該ピストン２２の内部に形成された蓄熱器３０を
介して第２作動室２９に連通している。該第１作
動室２８はそれぞれロータリタイプの吸入弁６と
排出弁７を介在し、かつ共に圧縮機８に導通した
高圧流体源９と低圧貯槽１０に連通されている。
該第１作動室２８はその最大容積が該ピストン２
２の往復作動に伴つて減少されるとき該吸入弁６
を開路し排出弁７を閉路させて該第１作動室２８
への高圧流体源９から高圧冷凍流体の追加補充を
図るように構成されている。又、第２作動室２９
はその最大容積が該ピストン２２の往復作動に伴
つて減少されるときには、該排出弁７を開路し吸
入弁６を閉路させ、該第２作動室２９内への高圧
作動流体の供給を断ち、該第２作動室２９内で膨
張冷却された作動流体を低圧貯槽１０へ導入し、
外部での冷凍利用を図るように構成されている。
ところで、本実施例の冷凍装置は、前記ケース２
３内に中空円筒状の内側面をもち所定容積の第２
シリンダ３１を有する。該第２シリンダ３１内に
はピストン状の外側面を有する筒状と成した該ロ
ツド２４のピストン部３２を収納されている。該
ピストン部３２と該第２シリンダ３１とはシール
部材３３を介接して気密性良好で該ピストン部３
２の往復作動により容積を可変とした駆動室３４
を構成する。逆止弁３５はチエツクボールバルブ
から成り、該駆動室３４側へのみ導通可能とし、
かつ前記第１作動室２８に連通する該排出弁７と
低圧貯槽１０の間に介接され該駆動室３４に連通
可能とされている。

上記構成からなる本実施例の冷凍装置は、高圧
流体源９から高圧Phの冷凍流体を第１作動室２
８に追加供給し、該ピストン２２の往復作動によ
つて該第１作動室２８内に残留する冷凍流体を加
圧する。これにより残留流体は高圧状態となり温
度上昇する。該加熱された残留流体と、追加補充
された高圧流体とは混合され平均温度の混合流体
を生ぜしめる。該混合流体は第１作動室２８から
ピストン２２の内部を通じて第２作動室２９に供
給されるが、該流路に沿つて設けられた蓄熱器３
０によつて熱が取り除かれ、所定温度まで低下し
冷却が図られる。第２作動室２９では流体の膨張
が行なわれつつ、高圧流体の供給が継続され、該
第２作動室２９を充満するに至つて高圧流体の供
給が停止される。その間、該第２作動室２９では
該作動流体が膨張に伴つて冷却され流体温度をさ
らに低下する。この低温作動流体は蓄熱器３０よ
り排出弁７を通じて低圧貯槽１０へ導出され外部
の冷凍に利用される。この場合、当該作動流体の
一部は、所定温度まで上昇したのち、該蓄熱器３
０を逆流して加熱される。そして、ギフオードマ
クマホンサイクルの終りにおいて第１作動室２８
には低圧PLの作動流体が残留され、以後の該サ
イクルに有効利用されることとなる。ところで、
本実施例の冷凍装置は、前記モータ２５によるピ
ストン２２の往復作動に加えて該駆動室３４と該
第１作動室２８との圧力差により、該ロツド２４
のピストン部３２を往復作動させて該ピストン往
復用の駆動力を確実に効率良く生起できる。すな
わち、該駆動室３４内における最低圧力PLを第
１作動室２８内の作動流体の最低圧力PLと等し
くすることにより、該ピストン２２の往復作動に
支障を来たす力が生起するのを防止して、該ロツ
ド２４に働く圧力差により該ピストン２２の往復
用駆動力を生起できるのである。これは、第３図
中曲線Ｃにて示すように、斜線で示す部分が少し
生じてピストン２２の往復作動に対し若干の負荷
となるが約1/6程度であり全体としては約5/6が駆
動力に寄与することとなる。

詳述すれば、弾み車２６の一回転360度中ほぼ
300度の領域において駆動力が得られ、すなわち、
ピストン２２における上死点から下死点へ向う間
は下向きの駆動力が生起され、またピストン２２
の下死点から上死点へ向う間は上向きの駆動力が
生起できるのである。これからも明らかなよう
に、本実施例の冷凍装置は、該ロツド２４のピス
トン部３２に働く圧力差によつて該ピストン往復
用の駆動力を確実に効率良く生起できる効果があ
る。

従つて、本実施例の冷凍装置は、該ロツド２４
の存在にかかわらず、前記駆動室３４と第１作動
室２８とにおける作動流体の圧力差を有効利用し
て該ピストン２２の往復用駆動力を生起させてモ
ータ２５を効率良く補助して該ピストン２２に対
する駆動力の強化を図ることができ、その信頼
性、耐久性等を大幅に向上できる。しかも、本実
施例の装置は、該モータ２５の負荷を低減して該
モータの小型化を図り、かつ作動スペースを有効
利用して死容積を激減でき装置構成の縮小化をも
たらし冷凍能力を高める等の実用上有意義な効果
を有する。

次に本発明の他の実施例は、作動スペースを有
効利用し作動流体の流路、配管等の省略化を図つ
た点で前記実施例とは異なる。すなわち、第２
図々示のように、ロツド４４の他端に設けたピス
トン部４２と第２シリンダ４１との間にはリツプ
型シール４３を介接して気密性良好で該ピストン
部４２の往復作動により容積を可変とした駆動室
４０を構成する。該駆動室４０は該シール４３を
介することにより区画形成され該ロツド４４の中
央部及びモータ４５に連係した弾み車４６をそれ
ぞれ収納する区画室４７に対し、これより該駆動
室４０側への一方向のみ導通可能に連通されてい
る。該区画室４７は一方が該第１作動室２８に連
通する該排出弁７に他方を低圧貯槽１０にそれぞ
れ気密性良好に連通されている。

上記構成からなる他の実施例は、該区画室４７
より逆止弁の機能を奏する該シール４３を通じて
該駆動室４０内を該第１作動室２８内の作動流体
の最低圧力と等しくすることができ、かつ前記モ
ータ４５によるピストン２２の往復作動に加えて
該駆動室４０と該第１作動室２８との圧力差によ
り該ロツド４４のピストン部４２を往復作動させ
て該ピストン往復用の駆動力を確実に効率良く生
起でき、その強化をより積極的に図ることができ
る他、前記実施例とほぼ同様の作用効果を奏す
る。

［本発明の特有の効果］ 本発明の冷凍装置によればロツドに働く圧力差
によつて該ピストン往復用の駆動力を確実に効率
良く生起できる効果を有する。従つて、本発明の
冷凍装置は、該ロツドの存在にかかわらず、前記
駆動室と第１作動室との作動流体の圧力差を有効
利用して該ピストンを往復用駆動力を生起させて
モータを効率良く補助して該ピストンに対する駆
動力の強化を図ることができ、その信頼性、耐久
性等を大幅に向上できる。よつて、本発明の冷凍
装置は、該モータの負荷を低減して該モータの小
型化をもたらし、かつ作動スペースの有効利用を
図つて死容積を激減でき装置の縮小化を図ると共
に冷凍能力を高める等といつた実用上優れた幾多
の効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す要部欠載断面
図、第２図は本発明の他の実施例を示す要部欠載
断面図、第３図は本発明装置の性能曲線をそれぞ
示す線図、第４図は従来装置を示す概要図であ
る。 図中、２１……シリンダ、２２……ピストン、
２３……ケース、２４……ロツド、２５……モー
タ、２６……弾み車、２７……クランク、２８…
…第１作動室、２９……第２作動室、３０……蓄
熱器、３１……第２シリンダ、３２……ピストン
部、３４……駆動室。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 所定容積を有するシリンダ内に往復動可能に
   収納したデイスプレーサピストンと、 該ピストンに連係すると共にモータに連動して
   該ピストンを往復駆動させかつケース内に収納し
   たロツドと、 該シリンダ内で該ピストンの両端に備えられ該
   ピストンの往復動によりそれぞれの容積を相対的
   に増減変化させ高圧作動流体を追加補充並びに膨
   張冷却する第１作動室及び第２作動室と、 該第１作動室と該第２作動室とを連通する蓄熱
   器と、 該第１作動室にそれぞれ吸入弁及び排出弁を介
   して連通し、かつ共に圧縮機に導通した高圧作動
   流体源と低圧貯槽とから成る冷凍装置であつて、 前記ケース内に設け前記ロツドのピストン部を
   収納し所定容積を有する第２シリンダと、 該ピストン部と該第２シリンダの間に気密性良
   好に備えられ該ピストン部の往復動により容積を
   可変とした駆動室と、 該駆動室側へのみ導通可能とし前記第１作動室
   に連通する前記排出弁と前記低圧貯槽の間に介接
   して該駆動室に連通する逆止弁とを備えて成り、
   前記モータによる前記ピストンの往復駆動の他、
   該駆動室と前記第１作動室の圧力差により前記ロ
   ツドのピストン部を往復駆動させて前記ピストン
   の駆動力を生起するようにしたことを特徴とする
   冷凍装置。 ２ 前記逆止弁は駆動室内のロツドのピストン部
   と第２シリンダの間に配設したシール部材により
   構成したことを特徴とする特許請求の範囲第１項
   記載の冷凍装置。