JPH02279959A - 弁体の開閉装置 - 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】 ［発明の目的コ （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
用される弁体の開閉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かその開口端を弁座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ＩＧａおよび弁体８の底
壁１２の近傍まで達する長さの棒体１６ｂ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−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１［ｉａ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■１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１
６ｂ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、この時点ては、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
部祠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か使用でき
ず、安定した拍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かあった。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の所要たイつ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の開閉装置を提供
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） 本発明の弁体開閉装置にあっては、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の弁体と、この弁体
を開閉するために前記シリンダ内を移動するピストンが
予め定められた距離以内に接近したときに前記ピストン
の移動先力を前記弁体の開放力として伝えるために移動
自在に支持された中子を有する弁体開閉機構と、前記中
子を所定方向に往復移動可能に支持する中子支持機構と
、 から成る吸気装置において、 前記中子支持機構は、前記弁体あるいは前記ピストンに
対して中継部材を所定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中子を所定
方向に移動可能に支持する第２の弾性支持部材と、から
成り、前記第１及び第２の弾性支持部材は、前記中子に
前記弁体の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中子の所定の移動方向
とは異なる方向のそれぞれの変形か、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、前記中子に前記弁体の開閉力が作用し
たときに前記中子は所定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の開閉装置によれば、摺動
部分の無い構成であって、しかも弁体を開閉させるため
の中子が、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の弾性支持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） 本発明の弁体開閉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、２１ｂｓ　２９ａ、２
９ｂ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
ー状ノくネ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、２３
ｂはそれぞれスプリングワッシャー状バネ２９ａ、２９
ｂ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、　２＋ａ、　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２１ａ
１２１ｂ　、　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２１ａ、２１
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
状態て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２ｓａ、２３ｂ、としたスプリングワツ
ンヤ状バネ２］、ａ、２１．ｂを付加すると、可動体２
２にＺ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Ｚ方向に直線状に変位するたけで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
ワッシャー状ハネ２１ａ、２１ｂかない場合の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２１ａｓ２１
ｂ　、　２９ａ　、　２６ｂ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ハネ２９ａ、２９ｂ
のうずの向き２４ａ、２４ｂがそれぞれ逆向きてあれば
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
することがてき塑性々形、破断を防止することかできる
。

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。したか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を開口部か弁座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
一端か固定され、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
３８ａ、３Ｂｂ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３［ｉａ、３６ｂの
うずの向きとスプリングワッシャー状バネ３７ａ、３７
ｂ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Ｌ［ｉａ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の弾力性および弁ケース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１［ｉａに接触し、この棒体１６ａ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３８ａ、３［ｉｂ。

３７ａ、３７ｂがたわんで弾性エネルギーか蓄積される
。そして、ピストン］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。圧力室が縮まると、上記スプリングワッ
シャー状バネ３６ａ、　３６ｂ、　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３３ａ、　３３ｂ、　３４ａ、　３４ｂ
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
、その運動エネルギかスプリングワッシャー状ハネ３３
ａ、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、　３３ｂ、　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３６ａ　、　３８ｂ　、　３７ｇ
　、　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図は本発明の弁体開閉装置の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、この四部４
３に中子１１を収容し、凹部４３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３６ａ、３
［ｉｂ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１［ｉａの一端を取岩している
。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の四部４３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、本発明の弁体の開閉装置を膨張
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の開閉装置として
適用できることは明白である。

［発明の効果コ 本発明に係る弁体の開閉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か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
を湿す断面図、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、Ｌ　Ｌ　＝−中子、３３ａ　、　３
３ｂ　、　３４ａ　、　３４ｂ　。 ３８ａ　、　３Ｔｏ　、　３７ａ　、　３７ｂ　、−ス
プリングワッシャー状バネ（弾性支持部＋Ｊ’）　、３
５．３８・・・中継可動体（中継部祠）、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
   るための弁体と、 この弁体を開閉するために前記シリンダ内を移動するピ
   ストンが予め定められた距離以内に接近したときに前記
   ピストンの移動力を前記弁体の開放力として伝えるため
   に移動自在に支持された中子を有する弁体開閉機構と、 前記中子を所定方向に往復移動可能に支持する中子支持
   機構と、 から成る吸気装置において、 前記中子支持機構は、 前記弁体あるいは前記ピストンに対して中継部材を所定
   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中子を所定方向に移移動可能
   に支持する第２の弾性支持部材と、から成り、 前記第１及び第２の弾性支持部材は、前記中子に前記弁
   体の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中子の所定の移動方向とは異
   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、前記中子に前記弁体の開閉力が作用したとき
   に前記中子は所定方向のみに変位することを特徴とする
   弁体の開閉装置。
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弁体あるいは前記ピスト
   ンに至るまでの形状と、前記第２の弾性支持部材の前記
   中子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中子の所定の移動方向
   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
   の弁体の開閉装置。
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
   バネの前記中子の所定の移動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
   記載の弁体の開閉装置。