JPH02272267A - 弁体支持装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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、膨張エンジン等に用いられる吸気装置等に適
用される弁体支持装置の改良に関する。

（従来の技術） 従来、ガス液化装置として、その一部に、断熱膨張現象
を利用してガスを冷却するとともにそのときの膨張エネ
ルギーの一部を回収する膨張エンジンを設けるようにし
たものがある。そして、上記のような目的に供される膨
張エンジンにあって、カムを使用せずに吸気弁を開閉さ
せる吸気装置を備えたものが知られている。

上記のようにカムを使用せずに吸気弁を開閉させる膨張
エンジンの吸気装置は、一般に、第４図に示すように構
成されている。すなわち、内部にピストン１を摺動自在
に収容したシリンダ２の頭部壁を弁座とし、この弁座３
の外面にシリンダ２と同軸的に円筒状の弁ケース４を取
着し、上記弁座３の中央部に上記弁ケース４内と上記シ
リンダ１内とを連通させる弁口５を設けている。そして
、上記弁ケース４の上記弁口５と対向する壁６にガス導
入ロアを設け、このガス導入ロアを図示しない高圧ガス
源に接続している。弁ケース４内には弁口５を選択的に
閉塞する有底円筒状の弁体８がその開口端を弁座３側へ
向けて収容されている。

弁体８はその外周縁部に放射状に設けられた突起部９の
外面が弁ケース４の内面に摺動自在に支持されるととも
に上記突起部９と前記壁６との間に介挿された第１のコ
インバネ１．０によって常時、前記弁口５を閉塞するよ
うに前記弁座３の外面に圧接されている。

さらに、上記弁体８内には、この弁体８の内面に摺動自
在に支持される形に円筒状に形成された中子１１が収容
されている。上記中子１１と上記弁体８のいわゆる底壁
１２との間には第２のコイルバネ１３が介挿されており
、この第２のコイルバネ１３の復元力によって上記中子
１１は上記弁体８の開口部にこの開口部を内側から閉塞
する関係に圧接されている。さらに上記中子１１には、
上記弁体８の開口および前記弁口５を貫通してシリンダ
２の内部まで達する長さの棒体Ｌｅａおよび弁体８め底
壁１２の近傍まで達する長さの棒体ｔａｂが取付けられ
ている。なお、図中１７はガス通流用の切欠部を示して
いる。また、排気装置は省略されている。

このような構成の膨張エンジンの吸気装置は以下のよう
に作動する。

まず、シリンダ２内のピストン１が下死点から上死点近
傍に向って移動している状態では、弁ケース４内は導入
ロアから流入した高圧ガスによって高圧に保たれており
、また、シリンダ２内はガスが膨張された後の低圧状態
に保たれているので、上記弁体８が弁ケース４内と上記
シリンダ２内との圧力差と第１のコイルバネ１０の復元
力とによって、弁座３に圧接され、これによって弁口５
が閉じた状態となっている。しかして、ピストン１が上
死点近傍まで移動るすと、上記ピストン１が中子１１に
取付けられた棒体ｌｅａに接触する。そして、接触しな
がら上死点直前まで移動する間、上記中子１１は第２の
コイルバネ１３を圧縮しながら弁体８内を摺動する。ピ
ストン１が上死点直前に達すると、中子１１の棒体１８
ｂが弁体８の底壁１２の内面に接触し、上記弁体８を図
中右方へわずかに移動させる。その結果、上記弁体８と
弁座３との間に微小間隙が生じ、弁ケース４内の高圧ガ
スが切欠部１７および弁口５を通ってシリンダ２内へ流
入し、上記弁ケース４内とシリンダ２内の圧力差が小さ
くなる。このため、弁体８が第２のコイルバネ１３の復
元力によって弁ケース内を図中右方へ向けて摺動し、ピ
ストン１が上死点に達した直後に、弁体８と弁座３との
間隔が大きくなり、大量の高圧ガスがシリンダ内へ流入
する。その結果、シリンダ２内の圧力が上昇し、上記ピ
ストンには下死点に向う移動力が付与される。第２のコ
イルバネ１３の復元力は第１のコイルバネ１０を圧縮す
るエネルギに消費されるので、上記弁体８は第１のコイ
ルバネ１０を圧縮する方向にある一定距離移動した後、
停止し、次に逆方向に移動して再び弁座３に圧接して前
記弁口５を閉じる。なお・、この時点では、ピストン１
は上死点から下死点に向って移動している。しかして、
ピストン１が下死点に向って移動している間は、シリン
ダ２内の圧力が低下し、弁体８は、弁座３に圧接された
状態を保ち、弁口５も閉じた状態に保たれる。このよう
なサイクルによってシリンダ２内に流入したガスは断熱
膨張し、冷却される。そして冷却されたガスは、ピスト
ン１が下死点を通過し上死点に移動する過程で図示しな
い排気装置にてシリンダ２外へ排出される。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、上記のように構成された膨張エンジンの
吸気装置にあっては次のような問題があった。

すなわちこのような吸気装置においては、長時間運転す
ると、弁体８の内側および外側の摺動面において、摺動
部材の摩耗や焼付きが起り、弁体８が正常に開閉できな
くなることがあった。とりわけ、ヘリウムガスの液化シ
ステムのように、吸気装置を極低温下で使用する場合、
潤滑油自体が固化するために摺動部の油潤滑が使用でき
ず、安定した摺動を得ることが極めて困難であった。

また、弁体８がスムーズに摺動するために、摺動面を極
めて精度よく加工する必要があった。さらに、小形吸気
装置においては、圧縮コイルスプリングとりわけコイル
スプリング１３の所要たわみが有効径に比べて大きいた
めに座屈を起し、コイルスプリング１３が圧縮に際して
中子１１又は弁体８と接触し、その擦過傷により疲労破
断することがあった。

本発明は上述した従来装置の不具合を解決するためにな
されたもので、小形で摺動部分のないしたがって長寿命
で信頼度が高く、かつ製造の容易な膨張エンジン等に用
いられる吸気装置等に適用される弁体支持装置を提供す
ることを目的とする。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明の弁体支持装置にあっては、シリンダの頭部近傍
においてシリンダ内とガス供給系とを連通可能とするた
めに形成された弁口を開閉するため移動自在に支持され
た弁体と、前記シリンダ静止部に対して中継部材を前記
弁体の開閉方向に移動可能に支持する第１の弾性支持部
材と前記中継部材に対して前記弁体をその開閉方向に移
動可能に支持する第２の弾性支持部材と、 から成る弁体支持装置であって、 前記第１及び第２の弾性支持部材は、前記弁体に開閉力
が作用したときに、前記第１及び第２の弾性支持部材で
発生される前記弁体の開閉方向とは異なる方向のそれぞ
れの変形が、互いにほぼ反対方向でかつほぼ等しい大き
さとなり、互いに打ち消し合うように構成され、前記弁
体に開閉力が作用したときに前記弁体は開閉方向のみに
変位することを特徴としている。

（作用） 上記のように構成された弁体支持装置によれば、摺動部
分の無い構成であって、しかも弁体は所定方向以外には
変形の無い変位を生ずるように第１、第２の弾性部材に
よって支持されているため弁の開閉動作が信頼性の高い
ものとなる。

（実施例） 本発明の弁体支持装置を膨張エンジンの吸気装置に適用
した実施例を第１図、第２図を用いて説明する。第１図
は本発明に係る膨張エンジンの吸気装置に使用する組合
せバネの機能の原理図である。２２は棒状の可動体でこ
の可動体２２をＺ軸方向に移動させる手段としてスプリ
ングワッシャー状のバネ２１ａ、　２１ｂ、　２９ａ、
　２９ｂ及び棒の中継可動体２０を用いている。すなわ
ち、スプリングワッシャ−状バネ２９ａ、２９ｂの一端
を静止２８ａ１２８ｂに固定し、更に、スプリングワッ
シャー状バネ２１ａ、　２１ｂの一端を可動体２２に固
定し、他端を中継可動体２０に固定する。スプリングワ
ッシャー状バネ２１ａ、２１ｂのうずの向き、２３ａ、
２３ｂはそれぞれスプリングワッシャー状バネ２９ａ、
２９ｂのうずの向き２４ａ、２４ｂに対して反対向きと
なるように設置する。可動体２２はスプリングワッシャ
ー状バネ２９ａ、　２９ｂ、　２１ａ、　２１ｂの中心
を結ぶ軸上に配置し、又、中継可動体２０は可動体２２
に平行に配置する。尚、スプリングワッシャー状バネ２
１ａ１２１ｂ　、　２９ａ　、　２９ｂは同じ曲げ強さ
、同じねじり強さであることが必要である。

ここで１対のスプリングワッシャー状バネ２１ａ１２１
ｂがなく中継可動体２０自身が可動体である場合を考え
る。この時、可動体（第２図においては２０）にＺ方向
の力を作用させると、スプリングワッシャー状バネ２９
ａ、２９ｂが面外変形するために可動体はＺ軸と平行な
状態でＺ方向に変位すると同時に半径方向（Ｒ方向）お
よび円周方向（θ方向）にも変位してしまい、可動体と
静止部との隙間を大きく設定しないと接触する。これに
対して第２図に示すようにスプリングワッシャー状バネ
２９ａ１２９ｂのうずの向き２４ａ、２４ｂと反対の向
きのうずの向き２３ａ、２３ｂ、としたスプリングワッ
シャー状バネ２１ａ、２１ｂを付加すると、可動体２２
に２方向の力を作用させた場合、中継可動体２０は上記
の如く、Ｚ方向とともにＲ方向、θ方向にも変位するが
、可動体２２は２方向に直線状に変位するだけでＲ方向
、θ方向には変位しない。したがって可動体２２と静止
部に対する相対変位は同じ作用力に対してスプリングワ
ッシャー状バネ２１ａ、２１ｂがない場合の２倍となる
。すなわちバネが塑性変形したり破断したりしない条件
で決まる可動体の許容ストロークを２倍にすることがで
きる。

尚、第１図においてはスプリングワッシャー状バネが２
９ａ、　２１ａ、　２１ｂ、　２９ｂの順に並んでいる
が、２９ａ　、　２１ａ　、　２９ｂ　、　２１ｂの順
であってもよい。

又、これらのスプリングワッシャー状バネ２１ａ、２１
ｂ　、　２９ａ　、　２Ｂｂの組が複数あってもよい。

更に、スプリングワッシャー状バネ２１ａ　、　２１ｂ
　、　２９ａ　。

２９ｂは短形断面のバネである必要はなく、円形断面の
他任意の断面形状で良い。又、スプリングワッシャー状
バネは一層で構成したものに限らず多層で構成してもよ
い。第１図では、バネの形状が完全な円弧で示しである
が、馬蹄形等可動体を囲む形状であればどのような形状
であっても良い。

要はスプリングワッシャー状バネ２１ａ％２１ｂ。

２９ａ、２９ｂのいずれも同一形状（同一剛性）すなわ
ち同じ曲げ強さ、同じねじり強さであり、かつスプリン
グワッシャー状バネ２１ａ、２１ｂのうずの向き２３ａ
、２３ｂとスプリングワッシャー状バネ２９ａ、２９ｂ
のうずの向き２４ａ、２４ｂがそれぞれ逆向きであれば
良い。又、第１図（ｂ）のようにスプリングワッシャー
状バネ３０の端部３１近辺を階段状に多層にすることに
より変形時に端部３１を近辺に発生する応力集中を緩和
することができ塑性変形、破断を防止することができる
。

第２図は本発明の一実施例に係る膨張エンジンの吸気装
置の概略構成を示す断面図であり、第４図と同一部分は
同一符号で示しである。したがって重複する部分の説明
は省略する。

この実施例において、弁体８を開口部が弁座３側に配置
するように弁ケース４内に収容し、この弁体８の外周面
に一端が固定され、他端が棒状の中継可動体３５に固定
される弁座３と平行な１対のスプリングワッシャー状バ
ネ３４ａ、３４ｂを設は又、弁ケースの内壁に一端が固
定され、他端が中継可能体３５に固定される弁座３と平
行な一対のスプリングワッシャー状バネ３３ａ、３３ｂ
を設け、かつスプリングワッシャー状バネ３３ａ、３３
ｂのうずの向きとスプリングワッシャー状バネ３４ａ、
３４ｂのうずの向きとを反対の向きに設定し、これらの
スプリングワッシャー状バネ３３ａ、３３ｂ、３４ａ、
３４の復元力によって上記弁体８を上記弁座３に圧接し
ているようにしている。弁体８の内面４０に開放力伝達
機構４１を設け、この開放力伝達機構４１は次のように
構成されている。上記弁体８の内面４０に一端が固定さ
れ、他端が棒状の中継可動体３８に固定される弁座３と
平行な１対のスプリングワッシャー状バネＳｅａ、８６
ｂを設け、又、中子１１の外壁に一端が固定され他端が
中継可動体３８に固定される弁座３と平行な１対のスプ
リングワッシャー状バネ３７ａ、３７ｂを設け、スプリ
ングワッシャー状バネ３６ａ、３６ｂのうずの向きとス
プリングワッシャー状バネ３７ａ、３７ｂのうずの向き
とを反対の向きに設定する。中子１１の弁口５に対向す
る面に弁口５を貫通してシリンダ２内に達する長さの棒
体ｌｅａの一端を取着したものとなっている。

このような構成であると、今、ピストン１が下死点から
上死点に移動している状態では、弁体８はスプリングワ
ッシャー状バネ３３ａ　、　３３ｂ　、　３４ａ　。

３４ｂの弾性力および弁ケース４内とシリンダ２内の圧
力差とによって弁座３に圧接されている。しかして、ピ
ストン１が上死点近傍に接近すると、上記ピストンの移
動力は開放力伝達機構４１へ伝達される。すなわちピス
トン１が棒体ｔｅａに接触し、この棒体１８ａが図中右
方向に向って移動している間に、スプリングワッシャー
状バネ３Ｑ　ａ　ｓ　３８ｂ　５３７ａ、３７ｂがたわ
んで弾性エネルギーが蓄積される。そして、ピストン１
が上死点に達する直前に中子１１が弁体８の内壁の上面
に接触し、弁体８をわずかに図中右方向へ移動させる。

このとき、弁体８と弁座３との間に微小間隔が生じて、
弁ケース４内とシリンダ２内の圧力差が縮まる。圧力塵
が縮まると、上記スプリングワッシャー状バネ３８ａ、
　３［ｉｂ、　３７ａ、　３７ｂに蓄積された弾性エネ
ルギーは上記弁体８を図中右方向へさらに移動させて、
上記弁体８を支持するスプリングワッシャー状バネ３３
ａ、　３３ｂ、　３４ａ、　８４ｂをたわませるための
エネルギとして消費される。したがって、弁口５が開放
され高圧ガスシリンダ２内に流入する。

上記弁体８はスプリングワッシャー状バネ３６ａ１３６
ｂ、　３７ａ、　３７ｂの復元力によって図中右方へ運
動し、その運動エネルギがスプリングワッシャー状バネ
３３ａ、　３３ｂ、　３４ａ、　３４ｂの弾性エネルギ
にほぼ等しくなった時点で停止し、その後スプリングワ
ッシャー状バネ３３ａ　、　８３ｂ　、　３４ａ　、　
３４ｂに蓄積された弾性エネルギの放出によって逆方向
に移動し、弁座３に再び圧接して弁口５を閉塞する。

したがって、使用するスプリングワッシャー状バネ３３
ａ　、　３３ｂ　、　３４ａ　、　３４ｂおよびスプリ
ングワッシャー状バネ３８ａ、　３８ｂ、　３７ａ、　
３７ｂの材質、板厚および形状を必要なたわみ量、剛性
等を考慮して予め定めておけば、良好に機能させること
ができる。

第３図は本発明の弁体支持装置に係る膨張エンジンの吸
気装置の概略構成を示す断面図であり、第２図と同一部
分は同一符号で示しである。したがって、重複する部分
の説明は省略する。

この実施例においては、開放伝達機構４１が前記実施例
と異なっている。すなわち、この実施例における開放力
伝達機構４１は、次のような構成となっている。ピスト
ン１の頭部４２の中央部に凹部４３を設け、この凹部４
３に中子１１を収容し、凹部４Ｂの内周壁４４に一端が
固定され、他端が中継可能動体３８に固定される弁座３
と平行な１対のスプリングワッシャー状バネ３８ａ、３
８ｂを設け、又、一端が中子１１の周壁に固定され他端
が中継可動体３８に固定される弁座３と平行な１対のス
プリングワッシャー状バネ３７ａ、３７ｂを設ける構成
となっている。

そして、中子１１の上端に弁口５を貫通して弁ケース４
内に達する長さの棒体ｌｅａの一端を取着している。弁
体８及びこれに設けられるスプリングワッシャー状バネ
３３ａ、　３３ｂ、　３４ａ、　３４ｂは第２図と同様
なので説明は省略する。

このような構成であると、ピストン１が上死点近傍に接
近すると、上記ピストン１の凹部４８に設けた棒体ｌｅ
ａが弁口５を通って弁体８の底面に接触し、その結果、
弁体８をわずかに図中右方向に移動させる。それ以後の
動作は前記の実施例とほぼ同じであるので省略する。

上記のような構成であると、前述の実施例と同様な効果
が得られるとともに、中子１１をピストン１内に設けて
いるので、弁体８を小型化できる。

なお、以上の実施例は、本発明の弁体支持装置を膨張エ
ンジンの吸気装置に適用した例を示したが、本発明はこ
れに限定されることなく一般の弁体支持装置として適用
できることは明白である。

［発明の効果コ 本発明に係る弁体支持装置を用いれば摺動部分が無いの
で装置の正常な長時間運転が可能となるとともに摺動面
のような高精度加工が不要となり、信頼度の高い運転状
態が得られる。とりわけヘリウムガスの液化システムの
膨張エンジンのように極低温下で潤滑が不能な雰囲気で
使用する吸気装置に適用して利用すると極めて有用であ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明における弁体および中子を支承する組合
せバネの構造を示す斜視図、第２図は本発明の一実施例
を示す断面図、第３図は本発明の他の実施例を示す断面
図、第４図は従来の吸気装置を示す断面図である。 １・・・ピストン、２・・・シリンダー　４・・・弁ケ
ース、８・・・弁体、１１・・・中子、３３ａ　ｓ　３
３ｂ　ｓ　３４ａ　、　３４ｂ　。 ３８ａ　、　３８ｂ　、　３７ａ　、　３７ｂ　、−・
・スプリングワッシャー状バネ（弾性支持部材）、３５
．３８・・・中継可動体（中継部材）、４１・・・開放
力伝達機構。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）シリンダの頭部近傍においてシリンダ内とガス供
   給系とを連通可能とするために形成された弁口を開閉す
   るために移動自在に支持された弁体と、 前記シリンダ静止部に対して中継部材を前記弁体の開閉
   方向に移動可能に支持する第１の弾性支持部材と、 前記中継部材に対して前記弁体をその開閉方向に移能可
   能に支持する第２の弾性支持部材と、から成る弁体支持
   装置であって、 前記第１及び第２の弾性支持部材は、前記弁体に開閉力
   が作用したときに、前記第１及び第２の弾性支持部材で
   発生される前記弁体の開閉方向とは異なる方向のそれぞ
   れの変形が、互いにほぼ反対方向でかつほぼ等しい大き
   さとなり、互いに打ち消し合うように構成され、前記弁
   体に開閉力が作用したときに前記弁体は開閉方向のみに
   変位することを特徴とする弁体支持装置。
2. （２）前記第１および第２の弾性支持部材は、互いに同
   一材料でほぼ形状が等しく形成され、前記第１の弾性支
   持部材の前記中継部材から前記静止部に至るまでの形状
   と、前記第２の弾性支持部材の前記弁体から前記中継部
   材に至るまでの形状とが、前記第１および第２の弾性支
   持部材の前記弁体の開閉方向以外の変形が互いに打ち消
   し合うように逆の関係に配置されていることを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項記載の弁体支持装置。
3. （３）前記第１および第２の弾性支持部材は、共に１対
   の第１および第２のスプリングワッシャー状バネで構成
   されており、これら第１および第２のスプリングワッシ
   ャー状バネのうずの向きを互いに反対の向きに配置する
   ことで前記に第１および第２のスプリングワッシャー状
   バネの前記弁体の開閉方向以外の変形を互いに打ち消し
   合わせることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
   弁体支持装置。