JPH05240516A - 膨張エンジンの吸気弁装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】長時間運転に耐え得る弁開閉器を備えた膨張エ
ンジンの吸気弁装置を提供する。 【構成】ピストン２の先端に弁開閉器２１が設けられて
いる。弁開閉器２１は、ピストン２の先端面に固定され
た支持部材２３と、この支持部材２３に大径側が支持さ
れた円錐台状のコイルばね２９と、このコイルばね２９
の小径側に連結された弁開閉体３０とで構成されてい
る。弁開閉体３０は、開閉体本体３１と、押え部材３２
とを備えている。この両者でコイルばね２９の小径部２
９ａと皿ばね３９とを挟み込み、これによってコイルば
ね２９と弁開閉体３０とが連結されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ヘリウム冷凍機等のガ
ス膨張機として使用される膨張エンジンの吸気弁装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】ヘリウムガスを液化あるいは極低温に冷
却するヘリウム冷凍機の膨張機として、往復動式の膨張
エンジンが多用されている。

【０００３】この膨張エンジンは、通常、シリンダと、
このシリンダ内に往復動自在に設けられてシリンダ内に
断熱膨張室を形成するピストンと、このピストンがシリ
ンダのヘッド壁に一定距離以内近づいている期間だけ開
いて断熱膨張室内に高圧ガスを流入させる吸気弁装置
と、ピストンがシリンダのヘッド壁に近づく方向へ移動
を開始した時点から吸気弁装置が動作を開始する時点ま
での間だけ開いて断熱膨張室内の低圧、低温のガスを排
気する排気弁装置と、ピストンの往復運動を、たとえば
電気エネルギに変換するエネルギ変換機構とを備えてい
る。

【０００４】ところで、膨張エンジンに組み込まれる吸
気弁装置の多くは、自動車エンジンの吸気弁装置のよう
に、ピストンの往復動をクランク機構等で一旦、回転運
動に変換した後、この動力でシリンダ外部よりカムを回
転させて弁体の開閉動作を行なわせるようにしている。

【０００５】しかしながら、膨張エンジンでは、内部へ
の熱侵入の低減、極低温ガスの外部への漏れを防止する
必要があり、吸気弁装置の開閉動作力をシリンダの外部
から与える方式では上記の要望を満すことが困難であ
る。

【０００６】そこで、最近では、このような問題を解決
するために、特公平３−３７０６６号公報に示されてい
るように、吸気弁装置の開閉をシリンダの内部、つまり
ピストンで直接的に行わせるものが提案されている。

【０００７】この提案されている吸気弁装置は、概略、
図３に示すように構成されている。図中１はシリンダを
示し、２はシリンダ１内に往復動自在に設けられてシリ
ンダ１とで断熱膨張室３を形成するピストンを示してい
る。なお、ピストン２の図中左端側は図示しないエネル
ギ変換機構に連結されている。

【０００８】シリンダ１におけるヘッド壁４の中央部に
は、吸気口５が形成されており、この吸気口５は高圧ガ
ス供給路６に通じている。高圧ガス供給路６内には、吸
気口５を閉塞するように弁体７が配置されている。この
弁体７のヘッド壁側に位置する端面中心部にはロッド８
が突設されており、このロッド８は弁体７が吸気口５を
閉塞している状態下で吸気口５を貫通してシリンダ１内
に僅かに侵入する長さに形成されている。弁体７には、
この弁体７と高圧ガス供給器６の内面との間に設けられ
た円錐台状のコイルばね９によって、常に吸気口５を閉
じる向きの力が与えられている。

【０００９】一方、ピストン２の先端部には、このピス
トン２の動きに関連させて弁体７を開閉する弁開閉器１
０が設けられている。この弁開閉器１０は次のような構
成になっている。すなわち、ピストン２の先端面に凹部
１１を設け、この凹部１１に開口部をヘッド壁４側に向
けて有底筒状の支持部材１２を装着し、この支持部材１
２に円錐台状のコイルばね１３を介して弁開閉体１４を
取り付けている。この弁開閉体１４の軸方向の厚みは、
支持部材１２の内側に存在する空間の深さより若干厚い
程度に設定されている。

【００１０】弁開閉体１４のヘッド壁側端面中央部には
前述したロッド８を押圧する押圧部１５が形成されてお
り、この押圧部１５の周囲には流路溝１６が形成されて
いる。そして流路溝１６の周囲には流路溝１６を外周面
に通じさせるように周方向に複数に分割された受圧部１
７が形成されている。

【００１１】コイルばね１３は、弁開閉体１４に近づく
にしたがって小径となる形状に形成されており、大径側
は支持部材１２の側壁内面に形成された環状溝１８に嵌
め込まれ、小径側は弁開閉体１４の外周面に形成された
環状溝１８に嵌め込まれている。なお、コイルばね９の
ばね定数はコイルばね１３のばね定数よりも小さくなる
ように設定されている。

【００１２】このような構成の吸気弁装置は次のような
動作を行う。すなわち、ピストン２がシリンダ１のヘッ
ド壁４に接近すると、つまり下死点に近づくと弁開閉体
１４がロッド８を押圧する。この時点では、背後からの
高圧ガスによって弁体７が押されているので、弁体７は
動かず、コイルばね１３が軸方向に圧縮されるのみであ
る。さらにピストン２が接近すると、弁開閉体１４が支
持部材１２の底壁内面に接触する。ピストン２が十分に
接近すると、ロッド８が弁開閉体１４に押されてはじめ
て吸気口５が開放される。

【００１３】吸気口５が開放されると、高圧ガスがシリ
ンダ１内に流入する。この流入によって弁体７の前後の
圧力差がなくなり、ばね定数の大きいコイルばね１３に
よって、弁体７が開放状態に保持される。ピストン２が
下死点を通過すると、ピストン２は高圧ガスに押されて
上死点側へと移動を開始する。そして、ついには弁開閉
体１４がロッド８から離れ、弁体７が再び吸気口５を閉
塞する。

【００１４】ピストン２が上死点側へ向かうと、断熱膨
張室３内の容積が急速に増加するので、断熱膨張室３内
のガスが低圧、低温となる。なお、図示しない排気弁装
置は、ピストン２が下死点側へ移動を開始した時点から
弁体７が開くまでの間だけ開に保持される。

【００１５】しかしながら、上記のように構成された吸
気弁装置にあっても次のような問題があった。すなわ
ち、このような機構を長期間使用した場合、コイルばね
１３の先端と弁開閉体１４との連結部に徐々にガタが生
じ、互いに衝突しあって、摩耗が進行する。特に、弁体
７を開放した瞬間に弁開閉体１４がコイルばね１３の復
元力により、シリンダ１のヘッド壁内面に衝突するが、
このときの衝撃が上記の摩耗進行の大きい要因と考えら
れている。このことにより、コイルばね１３の先端が摩
耗し、弁開閉体１４がシリンダ１内で欠落する虞が多分
にあった。もし、弁開閉体１４が落ちたままピストン２
が運動すると、吸気弁装置の正常な動作ができないばか
りか、ピストン２やシリンダ１を破損させる虞がある。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】このように従来の膨張
エンジンの吸気弁装置では、運転中に弁開閉体が欠落
し、これが原因してピストンやシリンダを破損させる虞
があった。

【００１７】そこで本発明は、長期間運転しても弁開閉
体が欠落する虞がなく、もって耐久性および信頼性を向
上できる膨張エンジンの吸気弁装置を提供することを目
的としている。

【００１８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明に係る膨張エンジンの吸気弁装置は弁開閉器
に改良が施されている。すなわち、弁開閉器は、ピスト
ンの先端部にたとえば円錐状のコイルばねを介して支持
され、ピストンの動きに対応させて弁体に吸気口を開放
させる向きの押圧力を与える弁開閉体を備えるととも
に、上記コイルばねと上記弁開閉体との連結接触部に与
圧を与えるばね部材を備えている。

【００１９】

【作用】コイルばねと弁開閉体との連結接触部に与圧を
与えるばね部材が設けられているので、コイルばねと弁
開閉体との間にガタが生じるのを抑制できる。そのた
め、連結接触部においてコイルばねや弁開閉体が摩耗す
るのを抑制でき、長期間運転したときに起こり易い弁開
閉体の欠落を防止することができる。

【００２０】

【実施例】以下、図面を参照しながら実施例を説明す
る。図１には本発明の一実施例に係る吸気弁装置の要部
断面図が示されおり、図２には同吸気弁装置全体の断面
図が示されている。これらの図では、図３と同一部分に
同一符号が付されている。したがって、重複する部分の
説明は省略する。この実施例に係る膨張エンジンの吸気
弁装置が従来装置と異なる点は、ピストン２の先端に設
けられる弁開閉器２１の構成にある。

【００２１】この弁開閉器２１は次のような構成になっ
ている。すなわち、ピストン２の先端面に凹部２２を設
け、この凹部２２に支持部材２３を装着している。支持
部材２３は、全体が有底筒状に形成されており、開口部
をヘッド壁４の側に向けて凹部２２に装着されている。
支持部材２３の周壁２４の内側は大径部２５に形成され
ており、底壁２６には大径部２５に通じる小径の凹部２
７が形成されている。周壁２４の内面には環状溝２８が
設けてあり、この環状溝２８には小径部をヘッド壁４に
側に位置させた円錐台状のコイルばね２９の大径部側が
嵌め込まれて固定されている。

【００２２】コイルばね２９は、圧縮されたときに接触
する部分の存在しない渦巻形状が形成される半径ピッチ
に形成されており、しかもばね定数の非線形化を緩和さ
せるために半径ピッチの減少に伴なわせて軸方向ピッチ
も小さくなる形状に形成されている。そして、コイルば
ね２９の最小径部が弁開閉体３０に連結されている。弁
開閉体３０は、開閉体本体３１と、この開閉体本体３１
に溶接等によって固定された押え部材３２とで構成され
ている。

【００２３】開閉体本体３１は、軸方向長さが前述した
支持部材２３の内側に形成された空間の最深距離より若
干大きい値に設定されている。この開閉体本体３１は、
ヘッド壁４の側に位置する部分３３が凹部２７と同程度
の比較的大径に、支持部材２３の側に位置する部分３４
が小径に、部分３４と３３との間の部分３５が中間の
径、具体的にはコイルばね２９における小径部２９ａの
内径とほぼ等しい径の段付き形状に形成されている。そ
して、部分３３のヘッド壁４の側に位置する端面中央部
には弁体７に突設されたロッド８を押圧するための押圧
部３６が形成されており、この押圧部３６の周囲には流
路溝３７が形成されている。また、流路溝３７の周囲に
は流路溝３７を部分３３の外周面に通じさせるように周
方向に複数に分割された受圧部３８が形成されている。

【００２４】このように形成された開閉体本体３１に対
してコイルばね２９の小径部２９ａが次のように連結さ
れている。すなわち、部分３５の外周にコイルばね２９
の小径部２９ａを嵌合させた後に、部分３５の外周に皿
ばね３９を嵌合させ、続いて部分３４の外周にリング状
に形成された押え部材３２を装着し、この押え部材３２
を押し込んで皿ばね３９を圧縮させた状態下で押え部材
３２を部分３４に対して溶接付けすることによってコイ
ルばね２９と開閉体本体３１とが連結されている。な
お、押え部材３２は凹部２７より所定だけ小径に形成さ
れている。また、図２中４０はシールパッドを示してい
る。

【００２５】このような構成であると、従来の膨張エン
ジンの吸気弁装置と同様の動作を行う。しかし、本発明
においてはコイルばね２９の小径部２９ａと開閉体本体
３１との連結接触部に皿ばね３９によって与圧が与えら
れているので、ガタが生じるようなことはない。このた
め、コイルばね２９の先端部における摩耗速度を遅らせ
ることができ、短期間で弁開閉体３０が欠落するような
事態の発生を防止できる。

【００２６】なお、上述した実施例では、コイルばね２
９の小径部２９ａと開閉体本体３１との連結接触部に皿
ばね３９によって与圧を与えているが、皿ばねに代えて
コイルばねやばね座金を用いてもよい。また、開閉体本
体３１への押え部材３２の固定は溶接に限らず、ねじ止
めとノックピンとを併用して固定してもよい。

【００２７】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、摩
耗が原因して起こる不具合の発生を防止でき、もって膨
張エンジンの長期間に亘る連続運転の実現に寄与でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る膨張エンジンの吸気弁
装置における弁開閉器の断面図。

【図２】同吸気弁装置の断面図。

【図３】従来の膨張エンジンの吸気弁装置の断面図。

【符号の説明】

１…シリンダ、 ２…ピストン、３
…断熱膨張室、 ４…ヘッド壁、５…
吸気口、 ６…高圧ガス供給路、
７…弁体、 ９，１３，２９…
コイルばね、２１…弁開閉器、 ３０
…弁開閉体、３９…皿ばね。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】シリンダと上記シリンダ内に往復動自在に
   配置されたピストンとによって形成される断熱膨張室内
   に上記ピストンの動きに応じて高圧ガスを周期的に導入
   するためのものであって、前記シリンダのヘッド壁に設
   けられて前記断熱膨張室と前記高圧ガスの供給路とを連
   通する吸気口と、この吸気口を閉塞するように前記ヘッ
   ド壁の外面に当てがわれた弁体と、この弁体に前記吸気
   口を閉じる向きの力を付与する第１の弾性体と、前記ピ
   ストンの先端部に第２の弾性体を介して支持され、上記
   ピストンの動きに対応させて前記弁体に前記吸気口を開
   放させる向きの押圧力を与える弁開閉体とを備えた膨張
   エンジンの吸気弁装置において、前記第２の弾性体と前
   記弁開閉体との連結接触部に与圧を与える第３の弾性体
   を具備してなることを特徴とする膨張エンジンの吸気弁
   装置。