WO2015151297A1 - 膨張機およびこれを備える空気冷凍装置 - Google Patents

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    • F25B2400/141—Power generation using energy from the expansion of the refrigerant the extracted power is not recycled back in the refrigerant circuit

Definitions

  • An embodiment of the present invention includes an expander including an XY separation crank mechanism that converts a reciprocating motion into a rotational motion and transmits the rotational motion, and converts a rotary motion into a reciprocating motion, and an air including the expander.
  • the present invention relates to a refrigeration apparatus.
  • the air refrigeration apparatus using the above-described turbine type expander has a small compression / expansion ratio of 2 to 3, and needs to be composed of a plurality of turbines such as two stages and three stages. For this reason, the entire apparatus becomes large and it is difficult to reduce the size. Further, this expander has a problem that rotation needs to be constant at high speed, temperature adjustment is difficult, and a turbine is expensive and easily broken. The efficiency is poor unless the turbine rotation speed is increased. Due to such high-speed rotation of the turbine, the turbine is easily damaged, and when one blade of the turbine is broken, a plurality of blades are always broken by entrainment, and damage is likely to increase.
  • An expander using planetary gears has a large gear loss and is performed in one stage, so the cylinder size is large and it is difficult to increase other capacities. In addition, it is difficult to increase the number of cylinders and increase the speed of this expander. Instead of increasing the number of cylinders, simultaneous operation with the same object is the main, which increases the size and efficiency.
  • An object of the present invention is to provide an expander that can convert and transmit motion with high efficiency and can be downsized, and an air refrigeration apparatus including the expander.
  • the expander extends orthogonally to a reference plane including a piston that is reciprocally movable in a cylinder along a first direction and a movement axis of the piston along the first direction.
  • An XY separation crank mechanism provided between the crankshaft and between the piston and the crankshaft, which reciprocally converts the reciprocating motion of the piston and the rotational motion of the crankshaft, and is capable of reciprocating in the first direction.
  • a crank connecting member that is attached to the support member so as to be reciprocally movable along a second direction orthogonal to the first direction, and that a crankshaft crank is rotatably engaged with.
  • a connecting member that connects the piston and the support member and reciprocates integrally with the piston and the support member along the first direction.
  • a cylinder head having an intake port and a discharge port communicating with the expansion / compression chamber, a first expansion / compression chamber defined between the piston and the piston.
  • An intake valve supported to be reciprocally movable along three directions to open and close the intake port; and a discharge valve to be reciprocally supported by the cylinder head along a fourth direction to open and close the discharge port;
  • An intake-side valve mechanism that opens and closes the intake valve; and a discharge-side valve mechanism that opens and closes the discharge valve.
  • At least one of the intake-side valve mechanism and the discharge-side valve mechanism includes an XY separation drive mechanism. I have.
  • FIG. 1 is a block diagram schematically illustrating an air refrigeration apparatus including an expander according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a perspective view showing an appearance of the expander.
  • FIG. 3 is a perspective view showing a back side of the expander.
  • FIG. 4 is a perspective view of the expander showing the internal structure of the expander.
  • FIG. 5 is a front view of the expander.
  • FIG. 6 is a perspective view showing a crankshaft of an XY separation crank mechanism in the expander.
  • FIG. 7 is a plan view of the crankshaft.
  • FIG. 8 is an exploded perspective view showing the crankshaft and the crank connection plate.
  • FIG. 9 is a side view showing a partially broken valve mechanism of the expander.
  • FIG. 10 is a perspective view showing an XY separation valve mechanism.
  • FIG. 11 is a block diagram schematically showing an air cooling device according to the second embodiment.
  • FIG. 12 is a perspective view showing a refrigerator of the air cooling device according to the second embodiment.
  • FIG. 13 is a side view of the refrigerator.
  • FIG. 14 is a side view of the refrigerator in a state where a lid is opened.
  • FIG. 15 is a side view schematically illustrating an air cooling device according to a third embodiment.
  • FIG. 1 is a block diagram schematically showing the entire air refrigeration apparatus according to the first embodiment.
  • an air refrigeration apparatus 11 includes a compressor 12 provided with an input filter 10 on the intake side, a primary cooler (heat exchanger) 14 connected to the discharge side of the compressor 12, and a dryer.
  • a secondary cooler (heat exchanger) 18 connected to the discharge side of the dryer 16, an expander 20 that adiabatically expands and cools cooling air sent from the secondary cooler, and regenerative energy of the expander 20
  • the generator 75 which can be driven by is provided.
  • a control valve 21 for adjusting the air flow rate is provided between the secondary cooler 18 and the expander 20, a control valve 21 for adjusting the air flow rate is provided.
  • the discharge side of the expander 20 communicates with a freezer (freezer compartment) 22 in which an object to be cooled such as fresh food or frozen food is accommodated.
  • a part of the discharge side of the expander 20 is connected to the secondary cooler 18 via the control valve 23, and the exhaust side of the freezer 22 is connected to the secondary cooler 18.
  • the filter 10, the compressor 12, the primary cooler 14, the dryer 16, the secondary cooler 18, and the expander 20 may be arranged either indoors or outdoors.
  • the air refrigeration apparatus 11 indoor or outdoor natural air is sucked into the compressor 12 through the filter 10, is adiabatically compressed, and is discharged from the compressor 12 as high-temperature and high-pressure air of about 7 to 10 atm. After compression, the hot high pressure air is sterilized by its own heat. Next, the high-temperature and high-pressure air is sent to the primary cooler 14, where it is cooled to room temperature with room temperature air, and then moisture is removed by a dryer 16 (chemical dryer, membrane dryer, etc.). Further, this air is cooled to the minus temperature region by the secondary cooler 18 and becomes low-temperature dry high-pressure air of about 7 to 10 atm. At this time, the return cool air from the freezer 22 and the controlled cool air from the expander 20 can be used in the secondary cooler 18 to increase the air cooling efficiency.
  • a dryer 16 chemical dryer, membrane dryer, etc.
  • the low-temperature and high-pressure air sent from the secondary cooler 18 is sucked into the expander 20 and is adiabatically expanded by the expander 20 to become cold air whose temperature has been further lowered, for example, cool air of ⁇ 100 ° C., for example.
  • This cold air (positive pressure cold air) is discharged from the expander 20 and supplied to the freezer 22. Thereby, the inside of the freezer 22 is cooled to, for example, ⁇ 80 ° C. and becomes a positive pressure.
  • the excess cold air in the freezer 22 is returned to the secondary cooler 18 by positive pressure, passes through the secondary cooler 18, and then released to the atmosphere.
  • FIG. 2 is a perspective view showing the external appearance of the front side of the expander
  • FIG. 3 is a perspective view showing the external appearance of the back side of the expander
  • FIG. 4 is a perspective view of the expander showing the internal structure of the expander.
  • 5 is a front view of the expander.
  • the expander 20 includes a support frame 24, a cylinder 26 mounted on the support frame, a cylinder head 28 fixed to the cylinder so as to close an upper end opening of the cylinder 26, an inside of the cylinder 26
  • the piston 30 is arranged to be movable up and down, a plurality of valve mechanisms 40 provided in the cylinder head 28 and the cylinder 26, a drive shaft (crankshaft) 50 rotatably supported by the support frame 24, and a reciprocating motion of the piston.
  • An XY separation crank mechanism 60 that converts the motion and transmits it to the crankshaft is provided.
  • the support frame 24 includes a rectangular base frame 25 having a pair of legs, a rectangular first base plate 27a detachably attached to the front side of the base frame 25 and closing the front side opening of the base frame, A rectangular second base plate 27b that is fixed to the back side of the base frame and closes the back side opening of the base frame, and a pair of erected on the upper wall of the base frame 25 and facing each other in parallel with a gap therebetween And support plates 31a and 31b.
  • the base frame 25 integrally includes a bottom wall 25a and an upper wall 25b extending substantially horizontally, and two side walls 25c extending vertically between the bottom wall 25a and the upper wall 25b. It has a pair of leg parts 29 formed in a flange shape at the lower end.
  • the cylinder 26 is fixed to substantially the center of the upper wall 25b of the base frame 25 and extends upward from the base frame 25 along the vertical direction.
  • a cylinder head 28 is fixed to the upper end of the cylinder and covers the upper end opening of the cylinder 26.
  • the cylinder 26 has a prismatic outer shape, is sandwiched between a pair of support plates 31a and 31b, and is supported by these support plates.
  • a partition wall 32 is provided in the vicinity of the lower end portion of the cylinder 26, and the opening on the lower end side of the cylinder 26 is closed by the partition wall 32.
  • a cylindrical piston 30 is slidably disposed between the partition wall 32 and the cylinder head 28 in the cylinder 26.
  • a plurality of piston rings are mounted on the outer periphery of the piston 30, and these piston rings are in airtight contact with the inner peripheral surface of the cylinder 26.
  • a first expansion / compression chamber 26 a is defined by the piston 30 and the cylinder head 28, and a second expansion / compression chamber is defined by the piston 30 and the partition wall 32.
  • the piston 30 moves up and down in the cylinder 26, that is, reciprocates along the axial direction (Y-axis direction) of the cylinder 26, thereby reducing the volume of the first expansion compression chamber 26a and the second expansion compression chamber 26b. These are alternately increased and decreased to constitute a so-called double-acting piston.
  • Piston rod 34 is connected to piston 30 or formed integrally.
  • the piston rod 34 passes through the circular first through hole 36a formed in the partition wall 32 from the piston 30 and the circular second through hole 36b formed in the center of the upper wall 25b of the base frame 25, and passes through the base frame 25. It extends to the inside.
  • the piston rod 34 is provided coaxially with the cylinder 26 and extends along the vertical direction. Further, for example, two rod packings 37 are fitted into the first through holes 36 a of the partition wall 32, and the piston rod 34 extends through these rod packings 37 in an airtight manner.
  • a heat insulating member for example, a heat insulating sheet 38 formed of a fluororesin, is disposed between the upper end of the cylinder 26 and the cylinder head 28 and between the lower end of the cylinder 26 and the base frame 25. ing. These heat insulating sheets 38 insulate heat that is transmitted from the outside, for example, from the cylinder head 28 side or from the base frame 25 side to the cylinder 26, and keep the cylinder 26 at a low temperature.
  • the crankshaft 50 extends in a direction orthogonal to a reference plane including the central axis (moving axis, Y axis) of the piston 30.
  • both axial ends of the crankshaft 50 are respectively provided by a first bearing 38a attached to the first base plate 27a of the support frame 24 and a second bearing 38b attached to the second base plate 27b. It is supported rotatably.
  • the crankshaft 50 is positioned substantially at the center of the base frame 25, extends in a direction perpendicular to the first and second base plates 27a, 27b, and is an axis perpendicular to the central axis of the piston 30. It is supported by a support frame 24 so as to be rotatable around.
  • crankshaft 50 protrudes to the outside of the first base plate 27a, and a large-diameter output wheel (flywheel) 52 is coaxially attached to the protruding end.
  • the other end of the crankshaft 50 protrudes outside the second base plate 27b, and a drive pulley 53 is coaxially attached to the protruding end.
  • the output wheel 52 and the drive pulley 53 rotate together with the crankshaft 50.
  • FIG. 6 is a perspective view showing the crankshaft and the crankwheel
  • FIG. 7 is a plan view showing the crankshaft and the crankwheel
  • FIG. 8 is an exploded perspective view showing the crankshaft and the crank connecting plate.
  • two crank webs (crank arms and counterweights) 54a and 54b are fixed in the middle of the crankshaft 50, and the crank pin is equivalent between the crank webs 54a and 54b.
  • a crank wheel 57 that acts on is fixed.
  • the central axis of the crank wheel 57 is located parallel to the crankshaft 50 and eccentric with respect to the central axis of the crankshaft.
  • the counter weights of the crank webs 54a and 54b are arranged 180 degrees opposite to the crank wheel 57.
  • the crank wheel 57 and the crank webs 54 a and 54 b are disposed in the base frame 25 and rotate eccentrically around the crankshaft 50 in response to the rotation of the crankshaft 50.
  • crank pin By using a large-diameter crank wheel as a crank pin, it is possible to increase the eccentric amount of the end of the crank wheel, and thereby it is possible to increase the movement stroke of the piston described later.
  • the Z mechanism XY separation crank mechanism 60 is provided between the piston 30 and the crankshaft 50, and the reciprocating motion of the piston 30 along the Y-axis direction and the crankshaft 50. It is constituted so that the rotational motion of the can be converted and transmitted to each other.
  • a driving force is input to the piston 30 by the pressurized air expanding in the cylinder 26, and the piston 30 reciprocates along the Y-axis direction.
  • the Z mechanism XY separation crank mechanism 60 converts the reciprocating motion of the piston 30 that is a drive input into a rotational motion and transmits it to the crankshaft 50, and gives a rotational output to the crankshaft 50.
  • the XY separation crank mechanism 60 includes a support member (L-shaped combinator) 62 provided in a reference plane including the central axis (movement axis, Y axis) of the piston 30 so as to be reciprocally movable along the Y axis direction, and a reference plane.
  • the crank connection member (crank connection plate) 64 attached to the support member 62 so as to be able to reciprocate along the second direction (X-axis direction) orthogonal to the Y-axis direction, and the piston 30 and the support member 62 are coupled.
  • a connecting member 66 is a connecting member 66.
  • the movement center axis (Y-axis direction) of the support member 62, the movement center axis (X-axis direction) of the crank connecting member 64, and the center movement axis (Y-axis direction) of the connecting member 66 are located on the reference plane.
  • the support member 62 is formed in, for example, an L shape, and includes a first support portion 62a extending in the Y-axis direction, and a second support portion 62b extending in the X-axis direction from one end (here, the upper end) of the first support portion 62a.
  • a first linear slider 67a is fixed to the first support portion 62a
  • a guide rail 68a is fixed to the inner surface of one side wall 25c of the base frame 25 and extends in the Y-axis direction.
  • the first linear slider 67a is supported and guided by the guide rail 68a so as to be reciprocally movable.
  • the first support portion 62a is supported by the base frame 25 so as to be reciprocally movable along the Y-axis direction.
  • a guide rail 68b extending in the X-axis direction is fixed to the second support portion 62b of the support member 62.
  • Two second linear sliders 67b are attached to the crank connecting member 64, and are arranged side by side in the X-axis direction. These second linear sliders 67b are supported and guided by the guide rail 68b so as to be reciprocally movable.
  • the crank connecting member 64 is supported by the support member 62 so as to be reciprocally movable along the X-axis direction.
  • a balance weight (stopper) 63 is fixed to the extended end (the end opposite to the first support portion) of the second support portion 62b.
  • Each of the first and second linear sliders 67a and 67b may incorporate a ball bearing that is in rolling contact with the guide rail.
  • the crank connecting member 64 is formed in, for example, a substantially annular shape and has a circular through hole 70.
  • the crank connecting member 64 is a split surface 65 including the center of the through hole 70 and is formed so as to be split into a first half portion 64a and a second half portion 64b.
  • the second half portion 64b is formed on the first half portion 64a. It is fixed with screws.
  • the pair of second linear sliders 67b described above are fixed to the flat portion of the first half portion 64a.
  • crank wheel 57 of the crankshaft 50 is rotatably inserted into the through hole 70 of the crank connection member 64 via a bearing such as a ball bearing or a plain bearing 71.
  • a bearing such as a ball bearing or a plain bearing 71.
  • the connecting member 66 is configured as, for example, an elongated connecting rod, one end of which is connected to the piston rod 34 via a support pin, and the other end is connected to the second support portion 20 b of the support member 62.
  • the connecting member 66 is formed integrally with the support member 62.
  • the connecting member 66 extends coaxially with the central axis (movement axis) of the piston 30.
  • the connecting member 66 reciprocates integrally with the support member 62 along the Y-axis direction, and reciprocates the piston 30 along the Y-axis direction.
  • the expander 20 including the Z mechanism XY separation crank mechanism 60 configured as described above, when the piston 30 reciprocates along the Y-axis direction due to the expansion of the compressed air introduced into the cylinder 26, this reciprocating motion. Is transmitted to the support member 62 via the piston rod 34 and the connecting member 66, and is separated into movement in the Y-axis direction and movement in the X-axis direction by the XY separation crank mechanism 60. That is, the support member 62 reciprocates along the Y-axis direction with the first linear slider 67a together with the crank connection member 64, and the crank connection member 64 reciprocates along the X-axis direction with the second linear slider 67b. As a result, the crank wheel 57 rotates eccentrically around the crankshaft 50 and a rotational output is given to the crankshaft 50.
  • a generator 75 is attached to the outer surface of the side wall 25c of the base frame 25.
  • the input shaft 75 a of the generator 75 is engaged with the output wheel 52 via a plurality of pulleys or pulley rows 91.
  • the rotational output of the crankshaft 50 is input to the generator 75 via the pulley train 91 by rotating the output wheel 52. That is, power can be generated by rotating the input shaft 75a of the generator 75.
  • the cylinder head 28 has a first intake port 42 a and a first discharge port 42 b that communicate with the first expansion / compression chamber 26 a of the cylinder 26.
  • One end of each of the first intake port 42 a and the first discharge port 42 b is opened on the lower surface of the cylinder head 28, and the other end is opened on each side surface of the cylinder head 28.
  • the partition wall 32 of the cylinder 26 has a second intake port 44 a and a second discharge port 44 b that communicate with the second expansion / compression chamber 26 b of the cylinder 26.
  • One end of each of the second intake port 44 a and the second discharge port 44 b is opened on the upper surface of the partition wall 32, and the other end is opened on the front side of the cylinder 26.
  • the valve mechanism of the expander 20 opens and closes a first intake side XY separation valve mechanism 46 that opens and closes a first intake port 42a, a first discharge side valve mechanism 48 that opens and closes a first discharge port 42b, and a second intake port 44a.
  • a second intake side XY separation valve mechanism 54 and a second discharge side valve mechanism 56 for opening and closing the second discharge port 44b are provided.
  • FIG. 9 is an enlarged side view showing the cylinder head, the first intake side XY separation valve mechanism, and the first discharge side valve mechanism
  • FIG. 10 is a perspective view showing the first intake side XY separation valve mechanism.
  • the first intake-side XY separation valve mechanism 46 is guided by the valve guide 70 a so as to be movable up and down along the Y-axis direction (third direction).
  • An intake valve 72a that opens and closes an end opening of the first intake port 42a on the first expansion / compression chamber 26a side, and a coil spring (for example, a compression coil spring) that biases the intake valve 72a toward the closed position side 74a and an XY separation drive mechanism 77 connected to the stem extension end of the intake valve 72a and driving the intake valve 72a to open and close.
  • the stem of the intake valve 72a penetrates the sealing 76a in an airtight manner and protrudes above the cylinder head 28.
  • the XY separation drive mechanism 77 is fixed to the stem extension end of the intake valve 72a, is erected on a Y-axis separation slider (combinator) 78a that moves in the Y-axis direction integrally with the intake valve 72a, and a cylinder head 28, and is laid on the Y-axis.
  • Fulcrum hinge 80a extending in the direction, rocker arm 82a swingably supported at the extension end of this fulcrum hinge 80a, X-axis separation slider (power point block) swingably supported at one end (power point) of the rocker arm 82a ) 84a, a cam follower (roller) 85a rotatably supported on the other end (operating point) of the rocker arm 82a, and a first intake cam 86a that is rotatably supported by the support frame 24 and is in rolling contact with the cam follower 85a.
  • the Y-axis separation slider 78a is formed in a substantially rectangular block shape, and has a side surface extending in the Y-axis direction and an upper surface extending in the X-axis direction.
  • a Y-axis linear slider 87a extending in the Y-axis direction is fixed on the side surface of the Y-axis separation slider 78a, or is formed integrally with the Y-axis separation slider 78a.
  • An X-axis guide rail 88a extending in the X-axis direction is fixed to the upper surface of the Y-axis separation slider 78a.
  • a Y-axis guide rail 90a extending in the Y-axis direction is fixed on the side surface of the fulcrum hinge 80a facing the Y-axis separation slider 78a.
  • the Y-axis linear slider 87a of the Y-axis separation slider 78a is guided and supported by the Y-axis guide rail 90a so as to be slidable along the Y-axis direction.
  • An X-axis linear slider 92a is fixed to the lower surface of the X-axis separation slider 84a facing the Y-axis separation slider 78a, or is formed integrally with the X-axis separation slider 84a.
  • the X-axis linear slider 92a is guided and supported by the X-axis guide rail 88a of the Y-axis separation slider 78a so as to be slidable along the X-axis direction.
  • Each of the Y-axis linear slider 87a and the X-axis linear slider 92a may incorporate a ball bearing that is in rolling contact with the guide rail.
  • the extended end (upper end) of the fulcrum hinge 80a is curved toward the Y-axis separation slider 78a (XC-axis separation slider 84a) with respect to the Y-axis direction. Therefore, the rocker arm 82a is swingably supported by the fulcrum hinge 80a on the power point side, that is, on the X-axis separation slider 84a side with respect to the central portion in the longitudinal direction. Therefore, the distance L1 between the force point (cam follower) and the fulcrum is set to be sufficiently larger (L1> L2) than the distance L2 between the fulcrum and the force point (the engagement position between the X separation slider 84a and the rocker arm 82a).
  • the rocker arm 82a has a large lever ratio (L1 / L2), and the X-axis separation slider 84a, the Y-axis separation slider 78a, and the intake valve 72a can be easily operated by applying a relatively small force to the action point. It is possible to raise it.
  • the first intake side coupler 93a is fitted in the intake side end opening of the intake port 42a.
  • the pipe (supply line) from the secondary cooler 18 described above is connected to the first intake side coupler 93a, and low-temperature high-pressure air is guided from the secondary cooler 18 to the first intake port 42a.
  • the first intake valve 72a When closed, the first intake valve 72a is urged and lowered by the coil spring 74a, is in close contact with the valve seat (valve seat) of the first intake port 42a, and closes the first intake port 42a.
  • the first intake cam 86a rotates and pushes the cam follower 85a of the rocker arm 82a downward at a predetermined timing.
  • the rocker arm 82a rotates clockwise around the fulcrum, and the X-axis separation slider 84a rotates upward.
  • the X-axis separation slider 84a pulls the Y-axis separation slider 78a and the intake valve 72a upward along the Y-axis direction, and simultaneously slides in the X-axis direction with respect to the Y-axis separation slider 78a.
  • the rotational movement of the X-axis separation slider 84a is separated into movement in the Y-axis direction and movement in the X-axis direction, and only movement in the Y-axis direction is transmitted to the Y-axis separation slider 78a.
  • the Y-axis separation slider 78a and the first intake valve 72a are reciprocated along the Y-axis direction by the Y-axis linear slider 87a to open and close the first intake port 42a.
  • the cam follower 85a is brought into contact with the small diameter portion of the first intake cam 86a, and the pressure by the intake cam 86a is reduced. Therefore, the first intake valve 72a and the Y-axis separation slider 78a are moved downward along the Y-axis direction by the urging force of the coil spring 74a to close the first intake port 42a. Further, the rocker arm 82a rotates counterclockwise, and the X-axis separation slider 84a moves downward together with the Y-axis separation slider 78a while sliding in the X-axis direction.
  • the first discharge side valve mechanism 48 is movable up and down along the Y-axis direction (third direction) by a valve guide 94 a embedded in the cylinder head 28. It has a guided discharge valve (eg mushroom valve) 96a.
  • the stem of the discharge valve 96a penetrates the sealing 95a in an airtight manner and protrudes above the cylinder head 28.
  • the discharge valve 96a opens and closes the end opening on the first expansion / compression chamber 26a side of the first discharge port 42b by moving up and down in the Y-axis direction.
  • the first discharge side valve mechanism 48 is connected to a coil spring (for example, a compression coil spring) 97a that urges the discharge valve 96a toward the closed position, and a stem extending end of the discharge valve 96a, and opens and closes the discharge valve 96a.
  • a slide drive mechanism 98 is fixed to the stem extension end of the discharge valve 96a, and moves in the Y-axis direction integrally with the discharge valve 96a.
  • the cam follower (roller) rotatably attached to the Y-axis slider 100a.
  • 102a a slide holder 104a standing on the cylinder head 28 and extending in the Y-axis direction, and a first discharge cam 105a that is rotatably supported by the support frame 24 and is in rolling contact with the cam follower 102a.
  • the Y-axis slider 100a is formed in a substantially rectangular block shape and has side surfaces extending in the Y-axis direction.
  • a Y-axis linear slider 106a extending in the Y-axis direction is fixed on the side surface of the Y-axis slider 100a, or is formed integrally with the Y-axis slider 100a.
  • a Y-axis guide rail 108a extending in the Y-axis direction is fixed on the side surface of the slide holder 104a facing the Y-axis slider 100a.
  • the Y-axis linear slider 106a of the Y-axis slider 100a is guided and supported by the Y-axis guide rail 108a so as to be slidable along the Y-axis direction.
  • the Y-axis linear slider 106a may incorporate a ball bearing that is in rolling contact with the Y-axis guide rail 108a.
  • a first discharge side coupler 109a is fitted in the discharge side end opening of the first discharge port 42b.
  • a pipe discharge line is connected to the first discharge side coupler 109a, and the cooling air discharged from the expander 20 is sent to the freezer 22 through the pipe.
  • the first discharge valve 96a and the Y-axis slider 100a are lifted by being biased by the coil spring 97a, and the first discharge valve 96a is in close contact with the valve seat (valve seat) of the first discharge port 42b.
  • the discharge port 42b is closed.
  • the first discharge cam 105a rotates and pushes the cam follower 102a of the Y-axis slider 100a downward at a predetermined timing.
  • the Y-axis slider 100a slides downward along the Y-axis direction, moves the first discharge valve 96a downward along the Y-axis direction, and opens the first discharge port 42b.
  • the cam follower 102a comes into contact with the small diameter portion of the first discharge cam 105a. Therefore, the biasing force of the coil spring 97a causes the first discharge valve 96a and the Y-axis slider 100a to move upward along the Y-axis direction, and the first discharge valve 96a closes the first discharge port 42b.
  • the second intake side XY separation valve mechanism 54 that opens and closes the second intake port 44a is configured in the same manner as the first intake side XY separation valve mechanism 46 described above.
  • the first intake-side XY separation valve mechanism 46 is configured in a so-called vertical type in which the first intake valve and the Y-axis separation slider move up and down along the Y-axis direction.
  • Reference numeral 54 denotes a so-called horizontal type in which the second intake valve and the separation slider reciprocate in the X-axis direction.
  • the second intake side XY separation valve mechanism 54 is guided by the valve guide so as to be reciprocally movable along the X-axis direction (fourth direction), and the end of the second intake port 44a on the second expansion / compression chamber 26b side.
  • a second intake valve for example, a mushroom valve
  • a coil spring for example, a compression coil spring
  • An XY separation drive mechanism connected to the outlet end and configured to open and close the second intake valve 72b.
  • the stem of the second intake valve 72b penetrates the sealing 76b in an airtight manner and protrudes to the side of the cylinder 26.
  • the XY separation drive mechanism is fixed to the stem extension end of the second intake valve 72b, and is erected on an X-axis separation slider (combinator) 78b that moves in the X-axis direction integrally with the intake valve 72b.
  • Fulcrum hinge 80b extending in the direction, rocker arm 82b swingably supported at the extending end of this fulcrum hinge 80b, Y-axis separation slider (power point block) swingably supported at one end (power point) of the rocker arm 82b ) 84b, a cam follower (roller) 85b rotatably supported on the other end (operating point) of the rocker arm 82b, and a second intake cam 86b rotatably supported by the support frame 24 and in contact with the cam follower 85b.
  • the X-axis linear guide of the X-axis separation slider 78b is guided and supported slidably along the X-axis direction by an X-axis guide rail attached to the fulcrum hinge 80b.
  • the Y-axis linear slider of the Y-axis separation slider 84b is guided and supported so as to be slidable along the Y-axis direction on the Y-axis guide rail of the X-axis separation slider 78b.
  • a second intake side coupler 93b (see FIG. 2) is fitted into the intake side end opening of the second intake port 44a.
  • the pipe (supply line) from the secondary cooler 18 described above is connected to the second intake side coupler 93b, and the low-temperature high-pressure air is guided from the secondary cooler 18 to the intake port 44a.
  • the thus configured second intake side XY separation valve mechanism 54 operates in the same manner as the first intake side XY separation valve mechanism 46 described above, and opens and closes the second intake port 44a.
  • the second discharge side valve mechanism 56 for opening and closing the second discharge port 44b is configured in the same manner as the first discharge side valve mechanism 48 described above.
  • the first discharge side valve mechanism 48 is configured in a so-called vertical type in which the first discharge valve and the Y-axis slider move up and down along the Y-axis direction.
  • the discharge valve and the X-axis slider are so-called horizontal type that reciprocates in the X-axis direction.
  • the second discharge side valve mechanism 56 has a discharge valve (for example, a mushroom valve) 96b guided by a valve guide embedded in the cylinder 26 so as to be reciprocally movable along the X-axis direction (fourth direction). is doing.
  • the stem of the discharge valve 96b penetrates the sealing in an airtight manner and protrudes to the side of the cylinder 26.
  • the discharge valve 96b reciprocates in the X-axis direction to open and close the end opening on the second expansion / compression chamber 26b side of the second discharge port 44b.
  • the second discharge side valve mechanism 56 is connected to a coil spring (for example, a compression coil spring) 97b that urges the discharge valve 96b toward the closed position and a stem extending end of the discharge valve 96b, and opens and closes the discharge valve 96b.
  • a slide drive mechanism This slide drive mechanism is fixed to the stem extension end of the discharge valve 96b and moves in the X-axis direction integrally with the discharge valve 96b.
  • the cam follower (roller) is rotatably attached to the X-axis slider 100b.
  • the slide holder 104b is erected on the cylinder 26 and extends in the X-axis direction.
  • the slide holder 104b is rotatably supported by the support frame 24.
  • the second discharge cam 105b is in contact with the cam follower.
  • the X-axis linear slider of the X-axis slider 100b is guided and supported slidably along the X-axis direction by an X-axis guide rail provided on the slide holder 104b and extending in the X-axis direction.
  • a second discharge side coupler 109b (see FIG. 2) is fitted into the discharge side end opening of the second discharge port 44b.
  • a pipe discharge line
  • the second discharge side valve mechanism 56 configured in this manner operates in the same manner as the first discharge side valve mechanism 48 described above, and opens and closes the second discharge port 44b.
  • a plurality of camshafts are rotatably attached to the support frame 24, and the various cams described above are attached to each camshaft.
  • the first intake camshaft 110 a and the first discharge camshaft 112 a are rotatably supported by the pair of support plates 31 a and 31 b of the support frame 24.
  • the first intake camshaft 110 a and the first discharge camshaft 112 a are provided in parallel to each other and above the cylinder head 28.
  • a first intake cam 86a is fixed to the first intake camshaft 110a and rotates integrally with the camshaft.
  • the first discharge cam 105a is fixed to the first discharge cam shaft 112a and rotates integrally with the cam shaft.
  • first intake camshaft 110a and one end of the first discharge camshaft 112a protrude from the support plate 31b to the back side.
  • the first driven pulley 124a and the second driven pulley 124b are attached to one end portions of these, respectively, and can rotate integrally with the camshaft.
  • the second intake camshaft 110b and the second discharge camshaft 112b are rotatably supported by the pair of support plates 31a and 31b of the support frame 24.
  • the second intake camshaft 110 b and the second discharge camshaft 112 b are provided in parallel to each other and on both sides of the cylinder 26.
  • the second intake cam 86b is fixed to the second intake cam shaft 110b and rotates integrally with the cam shaft.
  • the second discharge cam 105b is fixed to the second discharge cam shaft 112b and rotates integrally with the cam shaft.
  • a plurality of tension pulleys 126 are rotatably attached to the back surface of the support plate 31b and the back surface of the second base plate 27b.
  • a loop timing belt 128 is stretched around the first to fourth driven pulleys 124a to 124d, the four tension pulleys 126, and the passive pulley 53 attached to the crankshaft.
  • the first to fourth driven pulleys 124a to 124d are rotated in synchronization by the timing belt 128.
  • the first and second intake camshafts 110a and 110b, the first and second discharge camshafts 112a and 112b rotate, and together with these camshafts, the first and second intake cams 86a, 86b, first,
  • the second discharge cams 105a and 105b rotate to open and close the valves of the corresponding valve mechanism at a predetermined cycle and timing.
  • the crankshaft 50 is rotated by a motor or the like (not shown), and the piston 30 is moved up and down.
  • the first intake valve 72a is opened, and low-temperature high-pressure air is supplied from the first intake port 42a to the first expansion / compression chamber 26a.
  • the piston 30 descends toward the bottom dead center, whereby the volume of the first expansion / compression chamber 26a is gradually increased. To do.
  • the air is cooled to an extremely low temperature of ⁇ 80 to 100 ° C.
  • the first discharge valve 96a When the piston 30 moves from the bottom dead center toward the top dead center, the first discharge valve 96a is opened, and the cooling air (cold air) in the first expansion / compression chamber 26a is pushed by the piston 30 and is discharged from the first discharge valve 96a. It discharges to piping from the exit 42b and the 1st discharge coupler 109a. The discharged cooling air is discharged into the freezer 22 through the piping and cools the freezer 22.
  • the second intake valve 74b When the piston 30 moves to the bottom dead center, the second intake valve 74b is opened, and low-temperature high-pressure air is supplied from the second intake port 44a to the second expansion / compression chamber 26b. After the second intake valve 74b is closed, the piston 30 is raised toward the top dead center, so that the volume of the second expansion / compression chamber 26b is gradually increased. To do. As a result, the air is cooled to an extremely low temperature of ⁇ 80 to 100 ° C. When the piston 30 moves from the bottom dead center toward the top dead center, the second discharge valve 96b is opened, and the cooling air (cold air) in the second expansion / compression chamber 26b is pushed by the piston 30 and is discharged from the second discharge valve 96b. The gas is discharged from the outlet 44b and the second intake coupler 109b to the pipe. The discharged cooling air is discharged into the freezer 22 through the piping and cools the freezer 22.
  • a part of the cold air discharged from the first and second discharge ports 42 b and 44 b is sent to the secondary cooler 18 through the control valve 23.
  • the piston 30 is driven by low-temperature and high-pressure air, and the reciprocating motion is converted into rotational motion by the XY separation crank mechanism 60 to rotate the crankshaft 50. That is, the crankshaft 50 is rotated by the expansion force of high-pressure air, and regenerative power can be obtained by driving the generator 75 and the like with this rotational force.
  • a mechanism using a swinging connecting rod (connecting rod) that can convert the reciprocating motion of the piston into a rotational motion and transmit it to the crankshaft by the XY separation crank mechanism.
  • the cylinder side thrust (friction loss) and vibration can be greatly reduced. Since there is no friction loss, vibration is reduced and high speed operation is possible. At the same time, there is no heat loss due to side thrust, which can greatly improve efficiency and can be easily downsized.
  • the present embodiment by using a double-acting piston and cylinder, the volume is doubled, and the efficiency is expected to be tripled.
  • valve mechanism By using an XY separation valve mechanism as the valve mechanism, side side thrust acting on the valve can be eliminated, heat loss due to friction loss can be reduced, and deformation of the valve due to side thrust can be eliminated. Since the valve moves in a strict linear motion by a linear guide in the valve opening / closing direction, the valve and the valve seat are accurately brought into close contact with each other to improve the sealing performance and realize an accurate opening / closing operation.
  • the valve mechanism is efficient and has excellent durability.
  • the operating oil of the valve also serves as lubricating oil, it is easy to stop unnecessary rotation of the valve, and it is easy to provide a solenoid type electromagnetic mechanism.
  • the supply and discharge of the cooling air can be accurately performed at high speed with high sealing performance by the XY separation valve mechanism.
  • the expansion ratio of the expander and the air cooling efficiency can be further improved.
  • the compression / expansion ratio can be easily set to 10 or more, and cooling at ⁇ 100 ° C. or more is possible in one stage.
  • the expander according to the present embodiment can have a large expansion ratio, and therefore various adjustment mechanisms such as a bypass can be simplified.
  • the apparatus can be freely designed from a large size to a small size.
  • the rotation of the expander is arbitrarily changed, and temperature adjustment is easy.
  • it is inexpensive, easy to manufacture and durable.
  • the expansion work of the expander can be recovered as regenerative energy by a generator, for example. Since the expansion energy is 1: 1, almost 100% of the energy can be recovered and cold air can be generated. For example, 500 W of recovered power is actually measured with an expander with a shaft output of 700 W.
  • Z mechanism XY separation crank mechanism and XY separation valve mechanism allow complete parallel movement of piston and valve, so even with a small piston of about 30 ⁇ or a large piston of 500mm, it has good sealing performance and is lossless and efficient Is good.
  • Multi-stage is easy, and it is excellent in flexibility that can be arbitrarily multi-stage such as 2-cylinder, 3-cylinder, and 8-cylinder. Since there is no side thrust, the piston and valve can be easily ceramicized, and the use of ceramic can reduce the weight and improve the heat insulation.
  • the structure can be simplified compared with the conventional air refrigeration apparatus, and an inexpensive air refrigeration apparatus can be provided.
  • a chiller is not required inside the indoor cooler, so only a mixed blow-out with room temperature air is required, and the size is reduced.
  • the air refrigeration apparatus according to the present embodiment when the temperature is changed from room temperature to 1 MPa with a compressor, the temperature becomes 200 ° C., so that sterilization of viruses and bacteria in the air becomes easy. Since sterilization of viruses and bacteria is easy, it is easy to create clean rooms. In operating rooms, semiconductor manufacturing factories, etc., the filter can be downsized and the total cost can be reduced.
  • the inside of the freezer becomes a positive pressure, and the outside air does not enter the freezer from the outside. Therefore, even if the freezer has a simple structure, a sufficient freezing function can be exhibited, and the manufacturing cost of the freezer can be greatly reduced.
  • FIG. 11 is a block diagram schematically showing an air refrigeration apparatus according to the second embodiment.
  • the air refrigeration apparatus 11 includes a compressor 12 provided with an input filter 10 on the intake side, and a primary cooler connected to the discharge side of the compressor 12. (Heat exchanger) 14, dryer 16, secondary cooler (heat exchanger) 18 connected to the discharge side of this dryer 16, and expansion that cools and cools the cooling air sent from this secondary cooler And a refrigerator 200 connected to the discharge side of the expander 20. That is, according to the second embodiment, instead of the freezer, the refrigerator 200 is provided, and the cold air discharged from the expander 20 is supplied directly to the refrigerator 200.
  • the expander 20 is configured in the same manner as the expander in the first embodiment described above.
  • the air refrigeration apparatus 11 indoor or outdoor natural air is sucked into the compressor 12 through the input filter 10, is adiabatically compressed, and is discharged from the compressor 12 as high-temperature and high-pressure air of about 7 to 10 atmospheres. After compression, the hot high pressure air is sterilized by its own heat. Next, the high-temperature and high-pressure air is sent to the primary cooler 14, where it is cooled to room temperature with room temperature air, and then moisture is removed by a dryer 16 (chemical dryer, membrane dryer, etc.). Further, this air is cooled to the minus temperature region by the secondary cooler 18 and becomes low-temperature dry high-pressure air of about 7 to 10 atm.
  • a dryer 16 chemical dryer, membrane dryer, etc.
  • the low-temperature and high-pressure air sent from the secondary cooler 18 is sucked into the expander 20 and is adiabatically expanded by the expander 20 to become cold air whose temperature has been further lowered, for example, cool air of ⁇ 100 ° C., for example.
  • This cold air positive pressure cold air
  • the excess cold air in the refrigerator 200 passes through this refrigerator and is then discharged into the installation space (work chamber) of the refrigerator.
  • FIG. 12 is a perspective view showing the refrigerator
  • FIGS. 13 and 14 are side views of the refrigerator.
  • the refrigerator 200 covers, for example, a conveyor line that conveys an object to be cooled such as fresh food or frozen food, for example, the belt conveyor 202 and at least a part of the belt conveyor 202.
  • a cooler 203 arranged as described above.
  • the cooler 203 includes two support bases 208 and 210 installed on both sides of the belt conveyor 202, and a cooling cover 204 rotatably supported on one support base 210 by a hinge 212.
  • the cooling cover 204 is rotatably supported between a cooling position that covers the belt conveyor 202 and an open position that opens the belt conveyor 202, as shown in FIG.
  • a plurality of rectifying plates 206 are provided in the cooling cover 204.
  • a plurality of, for example, two supply holes 216a and 216b are formed in the cooling cover 204, and blower fans 214a and 214b are provided in these supply holes.
  • air supply pipes 220a and 220b are connected to the supply holes 216a and 216b, respectively. These air supply pipes 220a and 220b are each formed flexibly, and are connected to the first discharge side coupler 109a and the second discharge side coupler 109b of the expander 20 described above via a discharge line.
  • the cold air discharged from the expander 20 is supplied into the cooling cover 204 through the air supply pipes 220a and 220b, and further blown onto the object to be frozen on the belt conveyor 202 by the blower fans 214a and 214b.
  • the object to be frozen can be immediately frozen by directly applying the cooling air of ⁇ 80 to ⁇ 100 ° C. to the object to be frozen.
  • the cooling cover 204 can be rotated to the open position, when cleaning, the inside of the cooling cover 204, the upper surface of the belt conveyor 202, and the like can be easily cleaned with the cooling cover 204 opened. it can.
  • the object to be frozen can be easily frozen using the refrigerator 200 having a relatively simple configuration.
  • the installation place of the refrigerator 200 is not necessarily limited to a freezer or a freezer compartment, and free installation is possible.
  • the effect similar to 1st Embodiment can be acquired.
  • FIG. 15 schematically shows an air refrigeration apparatus according to the third embodiment.
  • the air refrigeration apparatus includes the expander 20, the compressor 12, the engine 300, the heat exchanger 306, and the expander having the same configuration as the expander shown in the first embodiment.
  • a generator 75 that can be connected to the output side.
  • the compressor 12 is configured in the same structure as the expander 20. However, the opening / closing timings of the valve mechanisms 46, 48, 54, and 56 are appropriately set so as to exhibit the function as a compressor.
  • the engine 300 has the same structure as the expander 20.
  • the engine 300 includes a first spark plug 302 for igniting the first expansion / compression chamber of the cylinder 26 and a second spark plug 304 for igniting the second expansion / compression chamber of the cylinder 26.
  • the opening / closing timings of the valve mechanisms 46, 48, 54, and 56 are appropriately set so as to exhibit the function as an engine.
  • the crankshaft 50 of the expander 20 is selectively connected to the generator 75 by the first clutch 308.
  • the generator 75 is selectively connected to the crankshaft 50 of the engine 300 by the second clutch 310.
  • the output shaft (crankshaft 50) of the compressor 12 is selectively connected to the crankshaft 50 of the engine 300 by the third clutch 312.
  • the heat exchanger 306 is connected to the discharge side of the engine 300.
  • the power generator 75 such as the lighting device 320, can be connected to the generator 75.
  • the air refrigeration apparatus configured as described above is operated in various modes by switching the first to third clutches 308, 310, and 312.
  • the air refrigeration apparatus performs simultaneous power generation in the air refrigeration mode. That is, low-temperature and high-pressure air is supplied from the compressor 12 to the expander 20, and cryogenic air is generated and discharged by the expander 20.
  • the generator 75 is driven by the regenerative energy of the expander 20 to generate electricity.
  • the generated electric power is supplied to the lighting device 320, for example. Further, by driving the engine 300, the compressor 12 can be driven using the output of the engine 300.
  • the air refrigeration apparatus is operated in the power generation mode. That is, the generator 75 is driven by the output of the engine 300 to generate power. If power is given priority and refrigeration is not required, power can be given priority.
  • a generator may be attached to an expander having a Z mechanism XY separation mechanism, and a generator may also be attached to the engine 300. If the generator turns off the electromagnet and does not take a load, it can be treated as a load equivalent to a flywheel. However, the facility can be reduced in size by switching with the clutch. If the system has two generators, the degree of freedom will be further increased.
  • gas can be directly converted into cooling and power generation, and if there are 100,000 units, 75 Kw will float and 250,000 Kw will be generated. That is, it corresponds to one nuclear power plant of 1 million Kw. Furthermore, the GDP value (global warming index) is 1 from chlorofluorocarbon 8500, which is very good for the global environment.
  • Such refrigeration and cooling areas can improve efficiency not only in general households but also in semiconductor manufacturing and electrochemical areas.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiments as they are, and can be embodied by modifying the constituent elements without departing from the scope of the invention in the implementation stage.
  • various inventions can be formed by appropriately combining a plurality of components disclosed in the embodiment. For example, some components may be deleted from all the components shown in the embodiment.
  • constituent elements over different embodiments may be appropriately combined.
  • the support portion that supports the support member and the crank connection member so as to be reciprocally movable is not limited to the linear slider, and may be another support structure.
  • a slide support structure with dovetails may be used.
  • a magnetic levitation system such as a linear motor mechanism can be introduced into the linear guide portion of the XY separation crank mechanism, and in this case, a further high speed operation is possible.
  • the expander described above is not limited to one cylinder, and may be two or more cylinders.
  • the expander is not limited to a so-called vertical type, and may be a horizontal type in which a cylinder and a piston are positioned horizontally.

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Abstract

　実施形態によれば、膨張機は、シリンダ（２６）内に往復動自在に設けられたピストン（３９）と、ピストンの第１方向に沿った移動軸を含む基準平面と直交して延びるクランク軸（５０）と、ピストンとクランク軸との間に設けられ、ピストンの往復運動とクランク軸の回転運動とを相互に変換するＸＹ分離クランク機構（６０）と、吸気口および吐出口を有するシリンダヘッド（２８）と、吸気口を開閉する吸気バルブと、吐出口を開閉する吐出バルブと、吸気バルブを開閉操作する吸気側バルブ機構（４６）と、吐出バルブを開閉操作する吐出側バルブ機構（４８）と、を備えている。吸気側バルブ機構および吐出側バルブ機構の少なくとも一方は、ＸＹ分離駆動機構を備えている。

Description

膨張機およびこれを備える空気冷凍装置
　この発明の実施形態は、往復運動を回転運動に変換して伝達する、また、回転運動を往復運度に変換して伝達するＸＹ分離クランク機構を備えた膨張機、およびこの膨張機を備える空気冷凍装置に関する。
　空気冷凍技術は、１４０年前にゴリーらにより発明され、世界初の製氷を行うことが始まった。その後、アンモニア、フロンなどの冷媒を使用し冷凍効率を高めてきた。しかし地球温暖化の問題から環境問題指数の高いフロンの使用が禁止されるに至っている。
　そこで、自然空気をそのまま使用して冷凍を行う空気冷凍技術が再び注目されている。このような空気冷凍に用いる膨張機としては、タービンを用いたものが多く提供されている。また、他の膨張機として、ピストン、クロスヘッド、コンロッド、クランクにより空気冷凍に係るシリンダーピストン部を構成し、サイドスラストロスによる熱発生を低減したものが提案されている。更に、遊星ギアによる回転往復運動変換などにより空気冷凍が開発されている。
米国特許第０８０８０号 特開２００２－３１８０２７号公報 特開２００４－３１７０８１号公報 特開２００４－９３１３３号公報
　上述したタービン式の膨張機を用いた空気冷凍装置は、圧縮膨張比が２～３と小さく、２段、３段と複数のタービンで構成する必要がある。そのため、装置全体が大型化し、小型化が困難となる。また、この膨張機は、回転を高速で一定にする必要があり、温度調整が難しく、更に、タービンは高価で壊れ易いという問題がある。タービンの回転速度を高速化しないと効率が悪い。このような、タービンの高速回転のため、タービンが破損し易く、タービンの羽根が１枚壊れると、巻き込みで必ず複数枚の羽根が壊れ、被害が大きくなり易い。
　ピストン、クロスヘッド、コンロッド、クランクを用いた構成の膨張機は、大型で小型化、多気筒化が難しい。また、この膨張機は、３００ｒｐｍ前後の低速で動作し、高速化が困難であり、かつ、効率が低い。
　遊星ギアを用いた膨張機は、ギアロスが大きく、１段で行うため、気筒サイズが大型化し他容量の増大は難しい。また、この膨張機は、多気筒化および高速化が難しい。多気筒化の代わりに、同一物による同時運転が主となり、大型化し効率が悪い。
　この発明は以上の点に鑑みなされたもので、その課題は、高い効率で運動を変換伝達可能で小型化が可能な膨張機、およびこれを備えた空気冷凍装置を提供することにある。
　実施形態によれば、膨張機は、シリンダ内に第１方向に沿って往復動自在に設けられたピストンと、前記ピストンの前記第１方向に沿った移動軸を含む基準平面と直交して延びるクランク軸と、前記ピストンとクランク軸との間に設けられ、前記ピストンの往復運動と前記クランク軸の回転運動とを相互に変換するＸＹ分離クランク機構であって、前記第１方向に往復移動自在に設けられた支持部材と、前記第１方向と直交する第２方向に沿って往復移動自在に前記支持部材に取り付けられているとともに、前記クランク軸のクランクが回転自在に係合するクランク接続部材と、前記ピストンと前記支持部材とを連結し、前記第１方向に沿って前記ピストンおよび支持部材と一体的に往復移動する連結部材と、を備えるＸＹ分離クランク機構と、前記シリンダに設けられ、前記ピストンとの間に、第１膨張圧縮室を規定しているとともに、前記膨張圧縮室に連通する吸気口および吐出口を有するシリンダヘッドと、前記シリンダヘッドに第３方向に沿って往復移動自在に支持されて、前記吸気口を開閉する吸気バルブと、前記シリンダヘッドに第４方向に沿って往復移動自在に支持されて、前記吐出口を開閉する吐出バルブと、前記吸気バルブを開閉操作する吸気側バルブ機構と、前記吐出バルブを開閉操作する吐出側バルブ機構と、を備え、前記吸気側バルブ機構および吐出側バルブ機構の少なくとも一方は、ＸＹ分離駆動機構を備えている。
図１は、第１の実施形態に係る膨張機を備えた空気冷凍装置を概略的に示すブロック図。 図２は、前記膨張機の外観を示す斜視図。 図３は、前記膨張機の背面側を示す斜視図。 図４は、前記膨張機の内部構造を示す膨張機の斜視図。 図５は、前記膨張機の正面図。 図６は、前記膨張機におけるＸＹ分離クランク機構のクランク軸を示す斜視図。 図７は、前記クランク軸の平面図。 図８は、前記クランク軸およびクランク接続プレートを示す分解斜視図。 図９は、前記膨張機のバルブ機構を一部破断して示す側面図。 図１０は、ＸＹ分離バルブ機構を示す斜視図。 図１１は、第２の実施形態に係る空気冷却装置を概略的に示すブロック図。 図１２は、第２の実施形態に係る空気冷却装置の冷凍機を示す斜視図。 図１３は、前記冷凍機の側面図。 図１４は、蓋部を開放した状態における前記冷凍機の側面図。 図１５は、第３の実施形態に係る空気冷却装置を概略的に示す側面図。
　以下、図面を参照しながら、実施形態に係るＺメカニズムＸＹ分離クランク機構を備える膨張機、およびこれを備えた空気冷凍装置の一例について説明する。　
（第１の実施形態）　
　初めに、空気冷凍装置全体の構成について説明する。　
　図１は、第１の実施形態に係る空気冷凍装置全体を概略的に示すブロック図である。この図に示すように、空気冷凍装置１１は、吸気側に入力フィルタ１０が設けられた圧縮機１２と、圧縮機１２の吐出側に接続された一次冷却器（熱交換器）１４、乾燥器１６、この乾燥器１６の排出側に繋がる二次冷却器（熱交換器）１８、この二次冷却器から送られた冷却空気を断熱膨張して冷却する膨張機２０、膨張機２０の回生エネルギにより駆動可能な発電機７５、を備えている。二次冷却器１８と膨張機２０との間には、空気の流量を調整する制御バルブ２１が設けられている。膨張機２０の吐出側は、例えば、生鮮食料品、冷凍食品等の被冷却物が収容された冷凍庫（冷凍室）２２に連通している。また、膨張機２０の吐出側の一部は、制御バルブ２３を介して二次冷却器１８に接続され、更に、冷凍庫２２の排気側は、二次冷却器１８に接続されている。フィルタ１０、圧縮機１２、一次冷却器１４、乾燥器１６、二次冷却器１８、および膨張機２０は、室内、室外のいずれに配置してもよい。
　空気冷凍装置１１において、室内あるいは室外の自然空気は、フィルタ１０を通して圧縮機１２に吸い込まれ、断熱圧縮されて約７～１０気圧の高温高圧空気となって圧縮機１２から吐出される。圧縮後、高温高圧空気は自身の熱により殺菌される。次いで、高温高圧空気は、一次冷却器１４へ送られ、ここで常温空気により常温まで冷却された後、乾燥器（ケミカルドライヤー、メンブレンドライヤーなど）１６で水分を除去される。更に、この空気は、二次冷却器１８でマイナス温度領域まで冷却され、約７～１０気圧の低温乾燥高圧空気となる。この際、冷凍庫２２からの戻り冷気、膨張機２０からの制御された冷気を二次冷却器１８で使用し、空気の冷却効率を上げる事ができる。
　二次冷却器１８から送られる低温高圧空気は、膨張機２０に吸い込まれ、この膨張機２０で断熱膨張されて、更に温度が下がった冷気、例えば、例えば－１００℃の冷気となる。この冷気（陽圧冷気）は、膨張機２０から吐出され、冷凍庫２２へ供給される。これにより、冷凍庫２２内は例えば、－８０℃に冷却されるとともに、陽圧となる。冷凍庫２２内の余剰冷気は、陽圧により、二次冷却器１８に戻し、二次冷却器１８を通過した後、大気に開放される。
　次に、本実施形態に係る膨張機２０について詳細に説明する。　
　図２は、膨張機の前面側の外観を示す斜視図、図３は、膨張機の背面側の外観を示す斜視図、図４は、膨張機の内部構造を示す膨張機の斜視図、図５は、膨張機の正面図である。
　図２ないし図５に示すように、膨張機２０は、支持フレーム２４、支持フレーム上に取付けられたシリンダ２６、シリンダ２６の上端開口を塞ぐようにシリンダに固定されたシリンダヘッド２８、シリンダ２６内に昇降自在に配置されたピストン３０、シリンダヘッド２８およびシリンダ２６に設けられた複数のバルブ機構４０、支持フレーム２４に回転自在に支持された駆動軸（クランク軸）５０、ピストンの往復運動を回転運動に変換してクランク軸に伝達するＸＹ分離クランク機構６０を備えている。
　支持フレーム２４は、一対の脚部を有する矩形状のベースフレーム２５と、ベースフレーム２５の前面側に脱可能に取り付けられベースフレームの前面側開口を閉塞した矩形状の第１ベース板２７ａと、ベースフレームの背面側に固定されベースフレームの背面側開口を閉塞した矩形状の第２ベース板２７ｂと、ベースフレーム２５の上壁上に立設され、互いに隙間を置いて平行に対向した一対の支持板３１ａ、３１ｂと、を有している。ベースフレーム２５は、ほぼ水平に延びる底壁２５ａおよび上壁２５ｂと、これら底壁２５ａと上壁２５ｂとの間の鉛直に延びる２つの側壁２５ｃと、を一体に有し、更に、各側壁の下端にフランジ状に形成された一対の脚部２９を有している。
　シリンダ２６は、ベースフレーム２５の上壁２５ｂのほぼ中央に固定され、鉛直方向に沿ってベースフレーム２５から上方へ延びている。シリンダヘッド２８がシリンダの上端に固定され、シリンダ２６の上端開口を覆っている。本実施形態において、シリンダ２６は、角柱形状の外形を有し、一対の支持板３１ａ、３１ｂ間に挟持され、これらの支持板により支持されている。
　図４および図５に示すように、シリンダ２６の下端部近傍に隔壁３２が設けられ、この隔壁３２によりシリンダ２６の下端側開口が閉じられている。シリンダ２６内で、隔壁３２とシリンダヘッド２８との間に円柱形状のピストン３０が摺動自在に配置されている。ピストン３０の外周には複数本のピストンリングが装着され、これらのピストンリングは、シリンダ２６の内周面に気密に接触している。シリンダ２６内には、ピストン３０とシリンダヘッド２８により、第１膨張圧縮室２６ａが規定され、また、ピストン３０と隔壁３２とにより第２膨張圧縮室が規定されている。ピストン３０は、シリンダ２６内を昇降することにより、すなわち、シリンダ２６の軸方向（Ｙ軸方向）に沿って往復移動することにより、第１膨張圧縮室２６ａおよび第２膨張圧縮室２６ｂの体積を、交互に増加、減少させるものであり、いわゆる複動型のピストンを構成している。
　ピストン３０にピストンロッド３４が連結され、あるいは、一体に形成されている。このピストンロッド３４は、ピストン３０から隔壁３２に形成された円形の第１透孔３６ａ、および、ベースフレーム２５の上壁２５ｂ中央に形成された円形の第２透孔３６ｂを通り、ベースフレーム２５内まで延びている。ピストンロッド３４は、シリンダ２６と同軸的に設けられ、鉛直方向に沿って延在している。また、隔壁３２の第１透孔３６ａには、例えば、２つのロッドパッキン３７が嵌合され、ピストンロッド３４は、これらのロッドパッキン３７を気密に貫通して延びている。
　なお、シリンダ２６の上端とシリンダヘッド２８との間、並びに、シリンダ２６の下端とベースフレーム２５との間、には、それぞれ断熱部材、例えば、フッ素樹脂で形成された断熱シート３８、が配置されている。これらの断熱シート３８は、外部から、例えば、シリンダヘッド２８側から、あるいは、ベースフレーム２５側からシリンダ２６へ伝わろうとする熱を断熱し、シリンダ２６を低温に維持する。
　図２ないし図５に示すように、クランク軸５０は、ピストン３０の中心軸（移動軸、Ｙ軸）を含む基準平面と直交する方向に延びている。本実施形態では、クランク軸５０の軸方向両端部は、支持フレーム２４の第１ベース板２７ａに取付けられた第１軸受３８ａ、および第２ベース板２７ｂに取付けられた第２軸受３８ｂにより、それぞれ回転自在に支持されている。これにより、クランク軸５０は、ベースフレーム２５のほぼ中央部に位置し、かつ、第１および第２ベース板２７ａ、２７ｂと直交する方向に延在し、ピストン３０の中心軸と直交する軸の周りで回転自在に支持フレーム２４に支持されている。
　なお、クランク軸５０の一端は、第１ベース板２７ａの外側に突出し、この突出端に、大径の出力ホイール（フライホイール）５２が同軸的に取り付けられている。また、クランク軸５０の他端は、第２ベース板２７ｂの外側に突出し、この突出端に、駆動プーリ５３が同軸的に取り付けられている。これにより、出力ホイール５２および駆動プーリ５３は、クランク軸５０と一緒に回転する。
　図６は、クランク軸およびクランクホイールを示す斜視図、図７は、クランク軸およびクランクホイールを示す平面図、図８は、クランク軸およびクランク接続プレートを示す分解斜視図である。　
　図４ないし図８に示すように、クランク軸５０の中途部に、２つのクランクウェブ（クランクアーム及びカウンタウェイト）５４ａ、５４ｂが固定され、更に、これらのクランクウェブ５４ａ、５４ｂ間にクランクピンと同等に作用するクランクホイール５７が固定されている。クランクホイール５７の中心軸は、クランク軸５０と平行に、かつ、クランク軸の中心軸に対して、偏心して位置している。クランクウェブ５４ａ、５４ｂのカウンタウェイトは、クランクホイール５７と１８０度、反対向きに配置されている。これらのクランクホイール５７およびクランクウェブ５４ａ、５４ｂは、ベースフレーム２５内に配置され、クランク軸５０の回転に応じて、クランク軸５０の周りで偏心回転する。
　なお、クランクピンとして大径のクランクホイールを用いることにより、クランクホイール端部の偏心量を大きく取ることができ、これにより、後述するピストンの移動ストロークを大きくすることが可能となる。
　図４、図５、図８に示すように、ＺメカニズムＸＹ分離クランク機構６０は、ピストン３０とクランク軸５０との間に設けられ、ピストン３０のＹ軸方向に沿った往復運動とクランク軸５０の回転運動とを相互に変換して伝達するように構成されている。本実施形態に係る膨張機２０においては、シリンダ２６内で膨張する加圧空気によりピストン３０に駆動力が入力され、ピストン３０がＹ軸方向に沿って往復移動する。ＺメカニズムＸＹ分離クランク機構６０は、駆動入力であるピストン３０の往復運動を、回転運動に変換してクランク軸５０に伝達し、クランク軸５０に回転出力を与える。
　ＸＹ分離クランク機構６０は、ピストン３０の中心軸（移動軸、Ｙ軸）を含む基準平面において、Ｙ軸方向に沿って往復移動自在に設けられた支持部材（Ｌ型コンビネータ）６２と、基準平面において、Ｙ軸方向と直交する第２方向（Ｘ軸方向）に沿って往復移動自在に支持部材６２に取り付けられたクランク接続部材（クランク接続プレート）６４と、ピストン３０と支持部材６２とを連結する連結部材６６と、を備えている。支持部材６２の移動中心軸（Ｙ軸方向）、クランク接続部材６４の移動中心軸（Ｘ軸方向）、および連結部材６６の中心移動軸（Ｙ軸方向）は、基準平面に位置している。
　支持部材６２は、例えば、Ｌ字形状に形成され、Ｙ軸方向に延びる第１支持部６２ａと、第１支持部６２ａの一端（ここでは、上端）からＸ軸方向に延びる第２支持部６２ｂとを一体に有している。第１支持部６２ａに第１リニアスライダ６７ａが固定され、また、ベースフレーム２５の一方の側壁２５ｃの内面にガイドレール６８ａが固定されＹ軸方向に延びている。第１リニアスライダ６７ａは、ガイドレール６８ａに往復移動自在に支持およびガイドされている。これにより、第１支持部６２ａは、Ｙ軸方向に沿って往復移動自在にベースフレーム２５に支持されている。
　支持部材６２の第２支持部６２ｂには、Ｘ軸方向に延びるガイドレール６８ｂが固定されている。クランク接続部材６４に２つの第２リニアスライダ６７ｂが取付けられ、Ｘ軸方向に並んで配置されている。これらの第２リニアスライダ６７ｂは、ガイドレール６８ｂに往復移動自在に支持およびガイドされている。これにより、クランク接続部材６４は、Ｘ軸方向に沿って往復移動自在に支持部材６２に支持されている。なお、第２支持部６２ｂの延出端（第１支持部と反対側の端）にバランスウエイト（ストッパ）６３が固定されている。　
　なお、第１および第２リニアスライダ６７ａ、６７ｂは、それぞれガイドレールに転接するボールベアリングを内蔵していてもよい。
　クランク接続部材６４は、例えば、ほぼ円環状に形成され、円形の透孔７０を有している。クランク接続部材６４は、透孔７０の中心を含む分割面６５で、第１ハーフ部６４ａと第２ハーフ部６４ｂとに分割可能に形成され、第２ハーフ部６４ｂは、第１ハーフ部６４ａにネジ等で固定されている。第１ハーフ部６４ａの平坦部に前述した一対の第２リニアスライダ６７ｂが固定されている。
　クランク接続部材６４の透孔７０に、クランク軸５０のクランクホイール５７がボールベアリングあるいはプレーンベアリング７１等の軸受を介して回転自在に挿通されている。これにより、クランク接続部材６４はクランク軸５０に係合し、クランク軸５０と支持部材６２とを接続している。
　連結部材６６は、例えば、細長い連結ロッドとして構成され、その一端は支持ピンを介してピストンロッド３４に連結され、他端は、支持部材６２の第２支持部２０ｂに連結されている。本実施形態において、連結部材６６は支持部材６２と一体に成形されている。連結部材６６は、ピストン３０の中心軸（移動軸）と同軸的に延びている。連結部材６６は、Ｙ軸方向に沿って支持部材６２と一体的に往復移動し、ピストン３０をＹ軸方向に沿って往復移動させる。
　上記のように構成されたＺメカニズムＸＹ分離クランク機構６０を備えた膨張機２０において、シリンダ２６内に導入された圧縮空気の膨張によりピストン３０がＹ軸方向に沿って往復移動すると、この往復運動は、ピストンロッド３４および連結部材６６を介して支持部材６２に伝達され、ＸＹ分離クランク機構６０によりＹ軸方向の移動とＸ軸方向の移動とに分離される。すなわち、支持部材６２は、クランク接続部材６４と共に、第１リニアスライダ６７ａによりＹ軸方向に沿って往復動し、クランク接続部材６４は第２リニアスライダ６７ｂによりＸ軸方向に沿って往復動する。これにより、クランクホイール５７がクランク軸５０の周りで偏心回転し、クランク軸５０に回転出力が与えられる。
　図２および図３に示すように、ベースフレーム２５の側壁２５ｃ外面に、例えば、発電機７５が取付けられている。発電機７５の入力軸７５ａは、複数のプーリ、あるいはプーリ列９１を介して、出力ホイール５２に係合している。クランク軸５０の回転出力は、出力ホイール５２を回転させ、プーリ列９１を介して、発電機７５に入力される。すなわち、発電機７５の入力軸７５ａを回転させて、発電を行うことができる。
　次に、膨張機２０のバルブ機構について説明する。　
　図４および図５に示すように、シリンダヘッド２８は、シリンダ２６の第１膨張圧縮室２６ａに連通する第１吸気口４２ａおよび第１吐出口４２ｂを有している。第１吸気口４２ａおよび第１吐出口４２ｂの一端はシリンダヘッド２８の下面にそれぞれ開口し、他端は、シリンダヘッド２８の両側面にそれぞれ開口している。また、シリンダ２６の隔壁３２は、シリンダ２６の第２膨張圧縮室２６ｂに連通する第２吸気口４４ａおよび第２吐出口４４ｂを有している。第２吸気口４４ａおよび第２吐出口４４ｂの一端は隔壁３２の上面にそれぞれ開口し、他端は、シリンダ２６の前面側にそれぞれ開口している。
　膨張機２０のバルブ機構は、第１吸気口４２ａを開閉する第１吸気側ＸＹ分離バルブ機構４６、第１吐出口４２ｂを開閉する第１吐出側バルブ機構４８、第２吸気口４４ａを開閉する第２吸気側ＸＹ分離バルブ機構５４、および、第２吐出口４４ｂを開閉する第２吐出側バルブ機構５６を備えている。
　図９は、シリンダヘッド、第１吸気側ＸＹ分離バルブ機構、および第１吐出側バルブ機構を拡大して示す側面図、図１０は、第１吸気側ＸＹ分離バルブ機構を示す斜視図である。　
　図４、図５、図９、および図１０に示すように、第１吸気側ＸＹ分離バルブ機構４６は、バルブガイド７０ａにより、Ｙ軸方向（第３方向）に沿って昇降自在にガイドされ、第１吸気口４２ａの第１膨張圧縮室２６ａ側の端開口を開閉する吸気バルブ（例えば、きのこ弁）７２ａと、吸気バルブ７２ａを閉塞位置側に付勢するコイルばね（例えば、圧縮コイルばね）７４ａと、吸気バルブ７２ａのステム延出端に連結され、吸気バルブ７２ａの開閉駆動するＸＹ分離駆動機構７７と、を備えている。吸気バルブ７２ａのステムは、シーリング７６ａを気密に貫通してシリンダヘッド２８の上方に突出している。
　ＸＹ分離駆動機構７７は、吸気バルブ７２ａのステム延出端に固定され、吸気バルブ７２ａと一体にＹ軸方向に移動するＹ軸分離スライダ（コンビネータ）７８ａ、シリンダヘッド２８に立設され、Ｙ軸方向に延びる支点ヒンジ８０ａ、この支点ヒンジ８０ａの延出端に揺動自在に支持されたロッカーアーム８２ａ、ロッカーアーム８２ａの一端（力点）に揺動自在に支持されたＸ軸分離スライダ（力点ブロック）８４ａ、ロッカーアーム８２ａの他端（作用点）に回転自在に支持されたカムフォロア（ローラ）８５ａ、支持フレーム２４に回転自在に支持され、カムフォロア８５ａに転接する第１吸気カム８６ａを備えている。
　Ｙ軸分離スライダ７８ａは、ほぼ矩形ブロック形状に形成され、Ｙ軸方向に延びる側面およびＸ軸方向に延びる上面を有している。Ｙ軸分離スライダ７８ａの側面上にＹ軸方向に延びるＹ軸リニアスライダ８７ａが固定され、あるいは、Ｙ軸分離スライダ７８ａと一体に形成されている。Ｙ軸分離スライダ７８ａの上面に、Ｘ軸方向に延びるＸ軸ガイドレール８８ａが固定されている。また、支点ヒンジ８０ａのＹ軸分離スライダ７８ａと対向する側面上に、Ｙ軸方向に延びるＹ軸ガイドレール９０ａが固定されている。Ｙ軸分離スライダ７８ａのＹ軸リニアスライダ８７ａは、Ｙ軸ガイドレール９０ａにＹ軸方向に沿って摺動自在にガイドおよび支持されている。また、Ｘ軸分離スライダ８４ａのＹ軸分離スライダ７８ａと対向する下面にＸ軸リニアスライダ９２ａが固定され、あるいは、Ｘ軸分離スライダ８４ａと一体に形成されている。このＸ軸リニアスライダ９２ａは、Ｙ軸分離スライダ７８ａのＸ軸ガイドレール８８ａにＸ軸方向に沿って摺動自在にガイドおよび支持されている。　
　なお、Ｙ軸リニアスライダ８７ａおよびＸ軸リニアスライダ９２ａは、それぞれガイドレールに転接するボールベアリングを内蔵していてもよい。
　支点ヒンジ８０ａの延出端部（上端部）は、Ｙ軸方向に対してＹ軸分離スライダ７８ａ側（ＸＣ軸分離スライダ８４ａ側）に湾曲している。そのため、ロッカーアーム８２ａは、その長手方向中央部よりも力点側、すなわち、Ｘ軸分離スライダ８４ａ側で、支点ヒンジ８０ａに揺動自在に支持されている。そのため、力点（カムフォロアー）と支点との距離Ｌ１は、支点と力点（Ｘ分離スライダ８４ａとロッカーアーム８２ａの係合位置）との距離Ｌ２よりも十分に大きく（Ｌ１＞Ｌ２）設定されている。これにより、ロッカーアーム８２ａは大きなてこ比（Ｌ１／Ｌ２）が得られ、比較的小さな力を作用点に作用させることで、Ｘ軸分離スライダ８４ａ、Ｙ軸分離スライダ７８ａ、および吸気バルブ７２ａを容易に引き上げることが可能となる。
　吸気口４２ａの吸気側端開口には、第１吸気側カップラ９３ａが嵌合されている。この第１吸気側カップラ９３ａに、前述した二次冷却器１８からの配管（供給ライン）が接続され、二次冷却器１８から低温高圧空気が第１吸気口４２ａに導かれる。
　閉塞時、第１吸気バルブ７２ａはコイルバネ７４ａにより付勢されて下降し、第１吸気口４２ａの弁座（バルブシート）に密着して、第１吸気口４２ａを閉じている。第１吸気カム８６ａが回転し、所定のタイミングでロッカーアーム８２ａのカムフォロア８５ａを下方へ押す。ロッカーアーム８２ａが支点の周りで時計方向に回動し、Ｘ軸分離スライダ８４ａは上方へ回動する。これにより、Ｘ軸分離スライダ８４ａは、Ｙ軸分離スライダ７８ａおよび吸気バルブ７２ａをＹ軸方向に沿って上方へ引き上げ、同時に、Ｙ軸分離スライダ７８ａに対してＸ軸方向にスライドする。すなわち、Ｘ軸分離スライダ８４ａの回動運動は、Ｙ軸方向の移動とＸ軸方向の移動とに分離され、Ｙ軸方向の移動のみがＹ軸分離スライダ７８ａに伝達される。これにより、Ｙ軸分離スライダ７８ａおよび第１吸気バルブ７２ａは、Ｙ軸リニアスライダ８７ａによりＹ軸方向に沿って往復動し、第１吸気口４２ａを開閉する。
　なお、第１吸気カム８６ａが更に回転すると、カムフォロア８５ａが第１吸気カム８６ａの小径部に転接し、吸気カム８６ａによる押圧が低減する。そのため、コイルバネ７４ａの付勢力により、第１吸気バルブ７２ａおよびＹ軸分離スライダ７８ａがＹ軸方向に沿って下方へ移動し、第１吸気口４２ａを閉じる。また、ロッカーアーム８２ａが半時計方向に回動し、Ｘ軸分離スライダ８４ａは、Ｘ軸方向に摺動しながら、Ｙ軸分離スライダ７８ａと一緒に下方へ移動する。
　図４、図５、および、図９に示すように、第１吐出側バルブ機構４８は、シリンダヘッド２８に埋め込まれたバルブガイド９４ａにより、Ｙ軸方向（第３方向）に沿って昇降自在にガイドされた吐出バルブ（例えば、きのこ弁）９６ａを有している。吐出バルブ９６ａのステムは、シーリング９５ａを気密に貫通してシリンダヘッド２８の上方に突出している。吐出バルブ９６ａは、Ｙ軸方向に昇降することにより、第１吐出口４２ｂの第１膨張圧縮室２６ａ側の端開口を開閉する。
　第１吐出側バルブ機構４８は、吐出バルブ９６ａを閉塞位置側に付勢するコイルばね（例えば、圧縮コイルばね）９７ａと、吐出バルブ９６ａのステム延出端に連結され、吐出バルブ９６ａを開閉駆動するスライド駆動機構９８と、を備えている。このスライド駆動機構９８は、吐出バルブ９６ａのステム延出端に固定され、吐出バルブ９６ａと一体にＹ軸方向に移動するＹ軸スライダ１００ａ、Ｙ軸スライダ１００ａに回転自在に取り付けられたカムフォロア（ローラ）１０２ａ、シリンダヘッド２８に立設され、Ｙ軸方向に延びるスライドホルダ１０４ａ、支持フレーム２４に回転自在に支持され、カムフォロア１０２ａに転接する第１吐出カム１０５ａを備えている。
　Ｙ軸スライダ１００ａは、ほぼ矩形ブロック形状に形成され、Ｙ軸方向に延びる側面を有している。Ｙ軸スライダ１００ａの側面上にＹ軸方向に延びるＹ軸リニアスライダ１０６ａが固定され、あるいは、Ｙ軸スライダ１００ａと一体に形成されている。また、スライドホルダ１０４ａのＹ軸スライダ１００ａと対向する側面上に、Ｙ軸方向に延びるＹ軸ガイドレール１０８ａが固定されている。Ｙ軸スライダ１００ａのＹ軸リニアスライダ１０６ａは、Ｙ軸ガイドレール１０８ａにＹ軸方向に沿って摺動自在にガイドおよび支持されている。Ｙ軸リニアスライダ１０６ａは、Ｙ軸ガイドレール１０８ａに転接するボールベアリングを内蔵していてもよい。　
　なお、第１吐出口４２ｂの吐出側端開口には、第１吐出側カップラ１０９ａが嵌合されている。この第１吐出側カップラ１０９ａに配管（吐出ライン）が接続され、膨張機２０から吐出された冷却空気は、配管を通して冷凍庫２２へ送られる。
　閉塞時、第１吐出バルブ９６ａおよびY軸スライダ１００ａは、コイルバネ９７ａにより付勢されて上昇し、第１吐出バルブ９６ａは第１吐出口４２ｂの弁座（バルブシート）に密着して、第１吐出口４２ｂを閉じている。第１吐出カム１０５ａが回転し、所定のタイミングでＹ軸スライダ１００ａのカムフォロア１０２ａを下方へ押す。これにより、Ｙ軸スライダ１００ａは、Ｙ軸方向に沿って下方へスライドし、一緒に、第１吐出バルブ９６ａをＹ軸方向に沿って下方へ移動させ、第１吐出口４２ｂを開放する。
　第１吐出カム１０５ａが更に回転すると、カムフォロア１０２ａが第１吐出カム１０５ａの小径部に転接する。そのため、コイルバネ９７ａの付勢力により、第１吐出バルブ９６ａおよびＹ軸スライダ１００ａがＹ軸方向に沿って上方へ移動し、第１吐出バルブ９６ａは第１吐出口４２ｂを閉じる。
　図４および図５に示すように、第２吸気口４４ａを開閉する第２吸気側ＸＹ分離バルブ機構５４は、上述した第１吸気側ＸＹ分離バルブ機構４６と同様に構成されている。ただし、第１吸気側ＸＹ分離バルブ機構４６は、第１吸気バルブおよびＹ軸分離スライダがＹ軸方向に沿って昇降する、いわゆる縦型に構成されているが、第２吸気側ＸＹ分離バルブ機構５４は、第２吸気バルブおよび分離スライダがＸ軸方向に往復移動する、いわゆる横型に構成されている。
　すなわち、第２吸気側ＸＹ分離バルブ機構５４は、バルブガイドにより、Ｘ軸方向（第４方向）に沿って往復動自在にガイドされ、第２吸気口４４ａの第２膨張圧縮室２６ｂ側の端開口を開閉する第２吸気バルブ（例えば、きのこ弁）７２ｂと、第２吸気バルブ７２ｂを閉塞位置側に付勢するコイルばね（例えば、圧縮コイルばね）７４ｂと、第２吸気バルブ７２ｂのステム延出端に連結され、第２吸気バルブ７２ｂの開閉駆動するＸＹ分離駆動機構と、を備えている。第２吸気バルブ７２ｂのステムは、シーリング７６ｂを気密に貫通してシリンダ２６の側方に突出している。
　ＸＹ分離駆動機構は、第２吸気バルブ７２ｂのステム延出端に固定され、吸気バルブ７２ｂと一体にＸ軸方向に移動するＸ軸分離スライダ（コンビネータ）７８ｂ、シリンダ２６に立設され、Ｘ軸方向に延びる支点ヒンジ８０ｂ、この支点ヒンジ８０ｂの延出端に揺動自在に支持されたロッカーアーム８２ｂ、ロッカーアーム８２ｂの一端（力点）に揺動自在に支持されたＹ軸分離スライダ（力点ブロック）８４ｂ、ロッカーアーム８２ｂの他端（作用点）に回転自在に支持されたカムフォロア（ローラ）８５ｂ、支持フレーム２４に回転自在に支持され、カムフォロア８５ｂに転接する第２吸気カム８６ｂを備えている。
　Ｘ軸分離スライダ７８ｂのＸ軸リニアガイドは、支点ヒンジ８０ｂに取付けられたＸ軸ガイドレールにＸ軸方向に沿って摺動自在にガイドおよび支持されている。Ｙ軸分離スライダ８４ｂのＹ軸リニアスライダは、Ｘ軸分離スライダ７８ｂのＹ軸ガイドレールにＹ軸方向に沿って摺動自在にガイドおよび支持されている。
　第２吸気口４４ａの吸気側端開口には、第２吸気側カップラ９３ｂ（図２参照）が嵌合されている。この第２吸気側カップラ９３ｂに、前述した二次冷却器１８からの配管（供給ライン）が接続され、二次冷却器１８から低温高圧空気が吸気口４４ａに導かれる。　
　このように構成された第２吸気側ＸＹ分離バルブ機構５４は、上述した第１吸気側ＸＹ分離バルブ機構４６と同様に動作して、第２吸気口４４ａを開閉する。
　図４および図５に示すように、第２吐出口４４ｂを開閉する第２吐出側バルブ機構５６は、上述した第１吐出側バルブ機構４８と同様に構成されている。ただし、第１吐出側バルブ機構４８は、第１吐出バルブおよびＹ軸スライダがＹ軸方向に沿って昇降する、いわゆる縦型に構成されているが、第２吐出側バルブ機構５６は、第２吐出バルブおよびＸ軸スライダがＸ軸方向に往復移動する、いわゆる横型に構成されている。
　すなわち、第２吐出側バルブ機構５６は、シリンダ２６に埋め込まれたバルブガイドにより、Ｘ軸方向（第４方向）に沿って往復動自在にガイドされた吐出バルブ（例えば、きのこ弁）９６ｂを有している。吐出バルブ９６ｂのステムは、シーリングを気密に貫通してシリンダ２６の側方に突出している。吐出バルブ９６ｂは、Ｘ軸方向に往復移動することにより、第２吐出口４４ｂの第２膨張圧縮室２６ｂ側の端開口を開閉する。
　第２吐出側バルブ機構５６は、吐出バルブ９６ｂを閉塞位置側に付勢するコイルばね（例えば、圧縮コイルばね）９７ｂと、吐出バルブ９６ｂのステム延出端に連結され、吐出バルブ９６ｂを開閉駆動するスライド駆動機構と、を備えている。このスライド駆動機構は、吐出バルブ９６ｂのステム延出端に固定され、吐出バルブ９６ｂと一体にＸ軸方向に移動するＸ軸スライダ１００ｂ、Ｘ軸スライダ１００ｂに回転自在に取り付けられたカムフォロア（ローラ）、シリンダ２６に立設され、Ｘ軸方向に延びるスライドホルダ１０４ｂ、支持フレーム２４に回転自在に支持され、カムフォロアに転接する第２吐出カム１０５ｂを備えている。Ｘ軸スライダ１００ｂのＸ軸リニアスライダは、スライドホルダ１０４ｂに設けられＸ軸方向に延びるＸ軸ガイドレールにＸ軸方向に沿って摺動自在にガイドおよび支持されている。
　第２吐出口４４ｂの吐出側端開口には、第２吐出側カップラ１０９ｂ（図２参照）が嵌合されている。この第２吐出側カップラ１０９ｂに配管（吐出ライン）が接続され、膨張機２０から吐出された冷却空気は、配管を通して冷凍庫２２へ送られる。　
　このように構成された第２吐出側バルブ機構５６は、上述した第１吐出側バルブ機構４８と同様に動作して、第２吐出口４４ｂを開閉する。
　図２ないし図５に示すように、支持フレーム２４に複数本のカムシャフトが回転自在に取り付けられ、各カムシャフトに、前述した種々のカムが取り付けられている。詳細には、第１吸気カムシャフト１１０ａおよび第１吐出カムシャフト１１２ａが、支持フレーム２４の一対の支持板３１ａ、３１ｂに回転自在に支持されている。第１吸気カムシャフト１１０ａおよび第１吐出カムシャフト１１２ａは、互いに平行に、かつ、シリンダヘッド２８の上方に設けられている。第１吸気カムシャフト１１０ａに第１吸気カム８６ａが固定され、カムシャフトと一体に回転する。第１吐出カムシャフト１１２ａに第１吐出カム１０５ａが固定され、カムシャフトと一体に回転する。
　第１吸気カムシャフト１１０ａの一端部、および第１吐出カムシャフト１１２ａの一端部は、それぞれ支持板３１ｂから背面側に突出している。そして、これらの一端部に、第１従動プーリ１２４ａおよび第２従動プーリ１２４ｂがそれぞれ取り付けられ、カムシャフトと一体に回転可能となっている。
　第２吸気カムシャフト１１０ｂおよび第２吐出カムシャフト１１２ｂが、支持フレーム２４の一対の支持板３１ａ、３１ｂに回転自在に支持されている。第２吸気カムシャフト１１０ｂおよび第２吐出カムシャフト１１２ｂは、互いに平行に、かつ、シリンダ２６の両側に設けられている。第２吸気カムシャフト１１０ｂに第２吸気カム８６ｂが固定され、カムシャフトと一体に回転する。第２吐出カムシャフト１１２ｂに第２吐出カム１０５ｂが固定され、カムシャフトと一体に回転する。
　第２吸気カムシャフト１１０ｂの一端部、および第２吐出カムシャフト１１２ｂの一端部は、それぞれ支持板３１ｂから背面側に突出している。そして、これらの一端部に、第３従動プーリ１２４ｃおよび第４従動プーリ１２４ｄがそれぞれ取り付けられ、カムシャフトと一体に回転可能となっている。
　支持板３１ｂの背面、および、第２ベース板２７ｂの背面に、複数のテンションプーリ１２６が回転自在に取り付けられている。そして、第１ないし第４従動プーリ１２４ａ～１２４ｄ、４つのテンションプーリ１２６、および、クランク軸に取付けられた受動プーリ５３に、ループ状のタイミングベルト１２８が架け渡されている。
　クランク軸５０と共に駆動プーリ５３が回転すると、タイミングベルト１２８により、第１ないし第４従動プーリ１２４ａ～１２４ｄが、同期して回転される。これにより、第１、第２吸気カムシャフト１１０ａ、１１０ｂ、第１、第２吐出カムシャフト１１２ａ、１１２ｂが回転し、これらのカムシャフトと共に、第１、第２吸気カム８６ａ、８６ｂ、第１、第２吐出カム１０５ａ、１０５ｂが回転して、対応するバルブ機構のバルブを所定の周期、タイミングで開閉する。
　以上のように構成された膨張機２０によれば、始動時、図示しないモータ等により、クランク軸５０を回転させ、ピストン３０を昇降させる。例えば、図５に示すように、ピストン３０が上死点に移動したところで、第１吸気バルブ７２ａが開放され、第１吸気口４２ａから第１膨張圧縮室２６ａに低温高圧空気が供給される。第１吸気バルブ７２ａが閉じた後、ピストン３０が下死点に向かって下降することにより、第１膨張圧縮室２６ａの容積が徐々に増大し、これに伴い、内部の低温高圧空気が断熱膨張する。これにより、空気は、－８０～１００℃の極低温に冷却される。ピストン３０が下死点から上死点に向かって移動する際、第１吐出バルブ９６ａが開放され、第１膨張圧縮室２６ａ内の冷却空気（冷気）は、ピストン３０により押されて第１吐出口４２ｂ、第１吐出カップラ１０９ａから配管へ吐出される。吐出された冷却空気は、配管を通して、冷凍庫２２内へ放出され、冷凍庫２２内を冷却する。
　また、ピストン３０が下死点に移動したところで、第２吸気バルブ７４ｂが開放され、第２吸気口４４ａから第２膨張圧縮室２６ｂに低温高圧空気が供給される。第２吸気バルブ７４ｂが閉じた後、ピストン３０が上死点に向かって上昇することにより、第２膨張圧縮室２６ｂの容積が徐々に増大し、これに伴い、内部の低温高圧空気が断熱膨張する。これにより、空気は、－８０～１００℃の極低温に冷却される。ピストン３０が下死点から上死点に向かって移動する際、第２吐出バルブ９６ｂが開放され、第２膨張圧縮室２６ｂ内の冷却空気（冷気）は、ピストン３０により押されて第２吐出口４４ｂ、第２吸気カップラ１０９ｂから配管へ吐出される。吐出された冷却空気は、配管を通して、冷凍庫２２内へ放出され、冷凍庫２２内を冷却する。
　第１および第２吐出口４２ｂ、４４ｂから吐出した冷気の一部は、制御バルブ２３を通して二次冷却器１８へ送られる。　
　膨張機２０の始動時以降は、ピストン３０は低温高圧空気に駆動され、その往復運動をＸＹ分離クランク機構６０により回転運動に変換してクランク軸５０を回転させる。すなわち、クランク軸５０は、高圧空気の膨張力により回転し、この回転力で発電機７５等を駆動することにより、回生電力を得ることができる。
　上記のように構成された膨張機２０によれば、ＸＹ分離クランク機構によりピストンの往復運動を回転運動に変換してクランク軸に伝えることができ、揺動するコンロッド（連結棒）を用いた機構やスライダークランクと比較して、ピストンおよびシリンダのサイドスラストロス（摩擦ロス）、および振動を大幅に低減することできる。摩擦ロスがないことから、低振動となり、高速動作が可能となる。同時に、サイドスラストロスによる熱損失がなく、大幅な効率向上を図ることができるとともに、容易に小型化を図ることができる。本実施形態によれば、複動式のピストンおよびシリンダを用いることにより、容積で２倍となり、効率が好いことで３倍の効果が見込める。
　複動ピストン、シリンダを用いた場合でも、ＺメカニズムＸＹ分離クランク機構と直動連結部材で力は伝達するが、シリンダ部とクランク部は、離すことができるため、間隙に断熱部材を容易に設けることが容易でき、これにより熱移動を最小限にすることができる。従って、熱損失を一層低減し、より効率向上を図ることができる。また、複動ピストン、シリンダを用いることにより、スペースファクタが１／２となり、膨張機の小型化が用意となる。
　バルブ機構として、ＸＹ分離バルブ機構を用いることにより、バルブに作用するサイドサイドスラストを無くし、摩擦ロスによる熱損失の低減し、かつ、サイドスラストによるバルブの変形を排除することができる。バルブはバルブ開閉方向のリニアガイドにより厳正直線運動となるため、バルブとバルブシートが正確に密着しシール性が向上するとともに、正確な開閉動作を実現することがきる。バルブ機構の効率が良く、耐久性に優れている。バルブの動作油が潤滑油を兼ねる場合、バルブの不要な回転を止めることが容易であり、ソレノイド式の電磁機構を持たせることも容易となる。
　このように、ＸＹ分離バルブ機構により、冷却空気の供給、吐出を正確に、かつ、高いシール性を持って高速に行うことができる。これにより、膨張機の膨張比率、空気冷却効率が一層向上させることができる。例えば、圧縮膨張比を１０以上とすることも容易であり、１段で－１００℃以上の冷却が可能となる。
　タービン式の膨張機に比較して、本実施形態の膨張機は、膨張比が大きくとれるため、バイパスなど種々の調整機構を簡素化できる。また、装置を大型のものから小型のものまで自由に設計することができる。膨張機の回転は任意に変化させ、温度調整が容易である。タービン式と異なり安価で、製造しやすく丈夫である。
　膨張機の膨張仕事を、例えば、発電機により回生エネルギとして回収することができる。膨張エネルギを負荷として、１：１であるため、エネルギをほぼ１００％回収することができ、かつ、冷気を生成することができる。例えば、軸出力７００Ｗの膨張機で５００Ｗの回収電力が実測されている。
　ＺメカニズムＸＹ分離クランク機構およびＸＹ分離バルブ機構により、ピストンおよびバルブの完全な平行運動ができるため、３０φ程度の小型ピストンでも、あるいは、５００ｍｍの大型ピストンを用いる場合でも、シール性がよくロスレスで効率が良い。多段化が容易であり、２気筒、３気筒、８気筒と任意に多段化できる柔軟性に優れている。サイドスラストロスがないため、ピストンやバルブを容易にセラミック化することが可能であり、セラミックを用いることにより、軽量化、断熱性の向上を図ることができる。
　本実施形態の膨張機を用いることにより、従来の空気冷凍装置に比べ構成が簡略化され安価な空気冷凍装置を提供することができる。一般の室内用クーラーを作ると室内用クーラー内部にチラーが不要なため、常温空気との混合吹き出しだけで良いので、小型化される。　
　本実施形態に係る空気冷凍装置によれば、圧縮機で、室温から１ＭＰａにすると２００℃になるため、空気中のウイルスや細菌の滅菌が容易となる。ウイルス、細菌の滅菌が容易であるため、クリーンルーム化が容易である。手術室、半導体製造工場用などでは、フィルタの小型化を図ることができ、トータルコスト削減が実現する。膨張機から冷凍庫内に冷気を吐出するため、冷凍庫内は陽圧となり、外部から冷凍庫内に外気が侵入することがない。そのため、冷凍庫を簡易な構造としても充分な冷凍機能を発揮することができ、冷凍庫の製造コストを大幅に削減することが可能となる。
　次に、他の実施形態に係る空気冷凍装置について説明する。なお、以下に説明する他の実施形態において、前述した第１の実施形態と同一の部分には、同一の参照符号を付してその詳細な説明を省略し、第１の実施形態と異なる部分を中心に詳しく説明する。
　（第２の実施形態）　
　図１１は、第２の実施形態に係る空気冷凍装置を概略的に示すブロック図である。この図に示すように、第２の実施形態によれば、空気冷凍装置１１は、吸気側に入力フィルタ１０が設けられた圧縮機１２と、圧縮機１２の吐出側に接続された一次冷却器（熱交換器）１４、乾燥器１６、この乾燥器１６の排出側に繋がる二次冷却器（熱交換器）１８、この二次冷却器から送られた冷却空気を断熱膨張して冷却する膨張機２０と、膨張機２０の吐出側に接続された冷凍機２００と、を備えている。すなわち、第２の実施形態によれば、冷凍庫に換えて、冷凍機２００を備え、膨張機２０から吐出した冷気を、直接、冷凍機２００へ供給する。膨張機２０は、前述した第１の実施形態における膨張機と同様に構成されている。
　空気冷凍装置１１において、室内あるいは室外の自然空気は、入力フィルタ１０を通して圧縮機１２に吸い込まれ、断熱圧縮されて約７～１０気圧の高温高圧空気となって圧縮機１２から吐出される。圧縮後、高温高圧空気は自身の熱により殺菌される。次いで、高温高圧空気は、一次冷却器１４へ送られ、ここで常温空気により常温まで冷却された後、乾燥器（ケミカルドライヤー、メンブレンドライヤーなど）１６で水分を除去される。更に、この空気は、二次冷却器１８でマイナス温度領域まで冷却され、約７～１０気圧の低温乾燥高圧空気となる。
　二次冷却器１８から送られる低温高圧空気は、膨張機２０に吸い込まれ、この膨張機２０で断熱膨張されて、更に温度が下がった冷気、例えば、例えば－１００℃の冷気となる。この冷気（陽圧冷気）は、膨張機２０から吐出され、冷凍機２００へ供給される。冷凍機２００内の余剰冷気は、この冷凍機を通過した後、冷凍機の設置空間（作業室）に放出される。
　次に、本実施形態に係る冷凍機２００について詳細に説明する。　
　図１２は、冷凍機を示す斜視図、図１３および図１４は、冷凍機の側面図である。　
　図１２および図１３に示すように、冷凍機２００は、例えば、生鮮食料品、冷凍食品等の被冷却物を搬送する搬送ライン、例えば、ベルトコンベア２０２と、ベルトコンベア２０２の少なくとも一部を覆うように配置された冷却器２０３と、を備えている。冷却器２０３は、ベルトコンベア２０２の両側に設置された２つの支持台２０８、２１０と、ヒンジ２１２により一方の支持台２１０に回動可能に支持された冷却カバー２０４と、を備えている。冷却カバー２０４は、図１３に示すように、ベルトコンベア２０２を覆う冷却位置と、図１４に示すように、ベルトコンベア２０２を開放する開放位置との間を回動可能に支持されている。
　冷却カバー２０４内に、複数の整流板２０６が設けられている。冷却カバー２０４に複数、例えば、２つの供給孔２１６ａ、２１６ｂが形成され、これらの供給孔に、送風ファン２１４ａ、２１４ｂが設けられている。更に、供給孔２１６ａ、２１６ｂにそれぞれ送気管２２０ａ、２２０ｂが連結されている。これらの送気管２２０ａ、２２０ｂは、それぞれフレキシブルに形成され、また、吐出ラインを介して、前述した膨張機２０の第１吐出側カップラ１０９ａおよび第２吐出側カップラ１０９ｂに接続される。
　膨張機２０から吐出した冷気は、送気管２２０ａ、２２０ｂを通して冷却カバー２０４内へ供給され、更に、送風ファン２１４ａ、２１４ｂにより、ベルトコンベア２０２上の被冷凍物に吹き付けられる。このように、－８０～―１００℃の冷却空気を被冷凍物に直接、当てることにより、被冷凍物を直ぐに冷凍することができる。
　また、冷却カバー２０４は、開放位置へ回動可能であることから、清掃時には、冷却カバー２０４をあけた状態で、冷却カバー２０４の内側や、ベルトコンベア２０２の上面等を容易に清掃することができる。
　以上のように構成された空気冷凍装置によれば、比較的、簡易な構成の冷凍機２００を用いて、容易に被冷凍物を冷凍することができる。また、冷凍機２００の設置場所は、必ずしも冷凍庫あるいは冷凍室に限られることがなく、自由な設置が可能となる。その他、第２の実施形態においても、第１の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
（第３の実施形態）　
　図１５は、第３の実施形態に係る空気冷凍装置を概略的に示している。この図に示すように、空気冷凍装置は、第１の実施形態で示した膨張機と同一の構成を有する膨張機２０と、圧縮機１２と、エンジン３００と、熱交換器３０６と、膨張機２０の出力側に接続可能な発電機７５と、を備えている。
　本実施形態において、圧縮機１２は、膨張機２０と同一の構造に構成されている。但し、バルブ機構４６、４８、５４、５６の開閉タイミングは、圧縮機としての機能を発揮するように適宜設定されている。
　エンジン３００は、膨張機２０と同一の構造に構成されている。エンジン３００は、シリンダ２６の第１膨張圧縮室に点火するための第１点火プラグ３０２、および、シリンダ２６の第２膨張圧縮室に点火するための第２点火プラグ３０４を備えている。また、バルブ機構４６、４８、５４、５６の開閉タイミングは、エンジンとしての機能を発揮するように適宜設定されている。
　膨張機２０のクランク軸５０は、第１クラッチ３０８により、発電機７５に選択的に接続される。発電機７５は、第２クラッチ３１０により、エンジン３００のクランク軸５０に選択的に接続される。更に、圧縮機１２の出力軸（クランク軸５０）は、第３クラッチ３１２により、エンジン３００のクランク軸５０に選択的に接続される。熱交換器３０６は、エンジン３００の吐出側に接続されている。発電機７５には、電力利用機器、例えば、照明機器３２０等を接続可能である。
　上記のように構成された空気冷凍装置は、第１～第３クラッチ３０８、３１０、３１２を切換えることにより、種々のモードで運転される。　
　第１クラッチ３０８をオン、第２クラッチ３１０をオフ、第３クラッチ３１２をオンにより、空気冷凍装置は、空気冷凍モードで同時発電を行う。すなわち、圧縮機１２から低温高圧の空気を膨張機２０に供給し、膨張機２０により極低温の冷気を生成して吐出する。同時に、膨張機２０の回生エネルギにより発電機７５を駆動して発電を行う。発生した電力は、例えば、照明機器３２０に供給される。また、エンジン３００を駆動することにより、このエンジン３００の出力を利用して、圧縮機１２を駆動することができる。
　第１クラッチ３０８をオフ、第２クラッチ３１０をオン、第３クラッチをオフにより、空気冷凍装置は、発電モードで運転される。すなわち、エンジン３００の出力により発電機７５を駆動し、発電を行う。電力が優先で冷凍冷房が不要な場合は、電力を優先できる。
　その他のボイラー等の熱源を併せ持つ構成とすることにより、冷熱、温熱いずれの対応も効率よく行える。そのため、従来型のコジェネ機に本実施形態の空気冷凍装置を追加することにより、冷熱温熱、発電といずれも効率よく運転することが可能となる。ＺメカニズムＸＹ分離機構を有する膨張機に発電機を取り付け、エンジン３００にも発電機を取り付けても良い。発電機は電磁石をオフして、負荷を取らなければ、フライホイールと同程度の負荷として扱うことができる。しかし、クラッチで切り替えることにより、設備を小型化することが可能となる。２つの発電機を持つシステムであれば、自由度は更に上がることになる。
　上記の空気冷凍装置によれば、冷房が２．５Ｋｗ、3台、７．５Ｋｗがエンジン３００、圧縮機１２でガス等の熱源をまかなうことが可能となる。自動的に２．５Ｋｗが発電されるので、１Ｋｗを消費する場合は、差引１．５Ｋｗを売電に当てることも可能となる。
　産油国等では、ガスを直接冷房と発電に変換できるこことになり、１０万戸であれば、７５Ｋｗが浮き、２５万Ｋｗが発電される。すなわち、１００万Ｋｗの原発１基に相当することになる。更に、ＧＤＰ値（温暖化指数）はフロンの８５００から、１になり、地球環境にも非常に良いことになる。
　こうした冷凍、冷房領域は一般家庭のみならず、半導体製造、電気化学領域等幅広く効率改善をすることができる。 
　本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
　ＸＹ分離クランク機構において、支持部材およびクランク接続部材を往復移動自在に支持する支持部は、リニアスライダに限らず、他の支持構造としてもよい。リニアスライダに代えて、蟻溝によるスライド支持構造を用いてもよい。更に、ＸＹ分離クランク機構のリニアガイド部にリニアモータ機構のような磁気浮上システムも導入可能で、この場合、一層の高速運転が可能となる。上記述した膨張機は、１気筒に限らず、２気筒以上としてもよい。膨張機は、いわゆる縦型に限らず、シリンダおよびピストンが水平に位置する横型としてもよい。

Claims (12)

  1. 　シリンダ内に第１方向に沿って往復動自在に設けられたピストンと、
    　前記ピストンの前記第１方向に沿った移動軸を含む基準平面と直交して延びるクランク軸と、
    　前記ピストンとクランク軸との間に設けられ、前記ピストンの往復運動と前記クランク軸の回転運動とを相互に変換するＸＹ分離クランク機構であって、前記第１方向に往復移動自在に設けられた支持部材と、前記第１方向と直交する第２方向に沿って往復移動自在に前記支持部材に取り付けられているとともに、前記クランク軸のクランクが回転自在に係合するクランク接続部材と、前記ピストンと前記支持部材とを連結し、前記第１方向に沿って前記ピストンおよび支持部材と一体的に往復移動する連結部材と、を備えるＸＹ分離クランク機構と、
    　前記シリンダに設けられ、前記ピストンとの間に、第１膨張圧縮室を規定しているとともに、前記第１膨張圧縮室に連通する吸気口および吐出口を有するシリンダヘッドと、
    　前記シリンダヘッドに第３方向に沿って往復移動自在に支持されて、前記吸気口を開閉する吸気バルブと、
    　前記シリンダヘッドに第４方向に沿って往復移動自在に支持されて、前記吐出口を開閉する吐出バルブと、
    　前記吸気バルブを開閉操作する吸気側バルブ機構と、前記吐出バルブを開閉操作する吐出側バルブ機構と、を備え、
    　前記吸気側バルブ機構および吐出側バルブ機構の少なくとも一方は、ＸＹ分離駆動機構を備えている膨張機。
  2. 　前記ＸＹ分離駆動機構は、前記シリンダヘッドに取付けられた第１ヒンジ部材と、この第１ヒンジ部材に回動自在に取付けられたロッカーアームと、前記吸気バルブに連結され、前記第１ヒンジ部材に前記第３方向に往復動自在に支持されたＹ軸分離スライダと、前記ロッカーアームの一端に回動自在に支持されているとともに、前記第３方向と直交する方向に沿って往復移動自在に前記Ｙ軸分離スライダに連結されたＸ軸分離スライダと、前記ロッカーアームの他端に当接し、前記ロッカーアームを揺動させるカムと、を備えている請求項１に記載の膨張機。
  3. 　前記支持部材は、前記第１方向に延びる第１支持部と、前記第１支持部から第２方向に延びる第２支持部とを有し、Ｌ字状に形成され、前記第１支持部は、第１方向スライダにより支持されている請求項１に記載の膨張機。
  4. 　前記クランク接続部材は、前記第２方向にスライド自在な第２スライダにより前記第２支持部に取り付けられ、前記クランク接続部材に、前記クランク軸のクランク部が回転自在に支持されている請求項３に記載の膨張機。
  5. 　前記シリンダは、前記シリンダヘッドと隙間を置いて対向し、前記ピストンとの間に第２膨張圧縮室を規定した隔壁と、前記第２膨張圧縮室に連通する第２吸気口および第２吐出口と、を有し、
    　前記第２吸気口を開閉する第２吸気バルブを有する第２吸気側バルブ機構と、
    　前記第２吐出口を開閉する第２吐出バルブを有する第２吐出側バルブ機構と、を更に備える請求項１ないし４のいずれか１項に記載の膨張機。
  6. 　前記ピストンと前記支持部材とを連結した連結部材は、前記隔壁を気密に貫通して延びている請求項５に記載の膨張機。
  7. 　前記第２吸気側バルブ機構および第２吐出側バルブ機構の少なくとも一方は、ＸＹ分離駆動機構を備えている請求項５に記載の膨張機。
  8. 　空気を加圧および冷却する圧縮機と、
    　前記圧縮機から吐出された加圧空気を吸い込み、冷却して吐出する請求項１ないし７のいずれか１項に記載の膨張機と、
    　を備える空気冷凍装置。
  9. 　前記膨張機から吐出された冷却空気を被冷凍物に当てて冷凍する冷凍機を備えている請求項８に記載の空気冷凍装置。
  10. 　前記冷凍機は、被冷凍物を覆うように設けられた冷却カバーと、前記膨張機から吐出された冷却空気を前記冷却カバー内へ導く送気管と、を備えている請求項９に記載の空気冷凍装置。
  11. 　前記冷却カバーは、前記被冷凍物を覆う冷却位置と、前記被冷凍物を開放する開放位置との間を回動可能に支持されている請求項１０に記載の空気冷凍装置。
  12. 　発電機と、エンジンと、前記膨張機と発電機とを接続する第１クラッチと、前記エンジンと発電機とを接続する第２クラッチと、前記圧縮機とエンジンとを接続する第３クラッチと、を備える請求項８に記載の空気冷凍装置。
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