JPH0559341B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は、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つ
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
２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
にガス導入口７を設け、このガス導入口７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のコイルバネ１によつて常
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の復元力によつて上記中子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１６ａ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
上死点近傍に向つて移動している状態では、弁ケ
ース４内は導入口７から流入した高圧ガスによつ
て高圧に保たれており、また、シリンダ２内はガ
スが膨張し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
つて、弁座３に圧接され、これによつて弁口５が
閉じた状態となつている。しかして、ピストン１
が上死点近傍まで移動すると、上記ピストン１が
中子１１に取付けられた棒体１６ａ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１６ｂ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〓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を通つて
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の復元力によつて弁ケ
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つて移動している。しか
して、ピストン１が下死点に向つて移動している
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つてシ
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つては次のような問題があ
つた。

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つた。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つた。

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つた。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
ことがあつた。

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
たがつ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） 本発明の弁体の開閉装置にあつては、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
離以内に接近した時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自在に支持する中子支持機
構とから成る弁体の開閉装置において、 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可
動体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、前記中継可動体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および第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時に、前記第１
および第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時に前記中
子がほぼ所定方向のみに変位するように構成した
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つて、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
部材によつ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（第２図に示す膨張エ
ンジンでは、中子１１に相当する）であり、この
可動体２２を図中Ｚ軸方向に移動させる手段とし
て、棒状の中継可動体２０と第１および第２の弾
性支持部材の一例としてのスプリングワツシヤー
状のバネ２９ａ，２９ｂおよび２１ａ，２１ｂを
用いている。

すなわち、スプリングワツシヤー状バネ２９
ａ，２９ｂの一端を静止部（第２図に示す膨張エ
ンジンでは、シリンダ２に相当する）２８ａ，２
８ｂに固定し、更に、スプリングワツシヤー状バ
ネ２１ａ，２１ｂの一端を可動体２２に固定し、
これらスプリングワツシヤー状バネ２１ａ，２１
ｂ，２９ａ，２９ｂ各々の他端をそれぞれ中継可
動体２０に固定している。スプリングワツシヤー
状バネ２１ａ，２１ｂのうずの向き、２３ａ，２
３ｂはそれぞれスプリングワツシヤー状バネ２９
ａ，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
プリングワツシヤー状バネ２９ａ，２９ｂ，２１
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の移動方向に平行に配置
する。尚、スプリングワツシヤー状バネ２１ａ，
２１ｂ，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対のスプリングワツシヤー状バネ２１
ａ，２１ｂ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１図にお
いては２０に相当）にＺ方向の力を作用させる
と、スプリングワツシヤー状バネ２９ａ，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〓間を大きく設定しないと接
触する。これに対して第１図に示すようにスプリ
ングワツシヤー状バネ２９ａ，２９ｂのうずの向
き２４ａ，２４ｂと反対の向きのうずの向き２３
ａ，２３ｂ、としたスプリングワツシヤー状バネ
２１ａ，２１ｂを付加すると、可動体２２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、うずの向きを各々反対向きとしたスプリ
ングワツシヤー状バネ２１ａ，２１ｂと２９ａ，
２９ｂとによつて、Ｒ方向およびθ方向の変位が
それぞれ打消し合うために、可動体２２はＺ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。したがつて可動体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ツ
シヤー状バネ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ツシヤー状
バネが２９ａ，２１ａ，２１ｂ，２９ｂの順に並
んでいるが、２９ａ，２１ａ，２９ｂ，２１ｂの
順であつてもよい。又、これらのスプリングワツ
シヤー状バネ２１ａ，２１ｂ，２９ａ，２９ｂの
組が複数あつてもよい。更に、スプリングワツシ
ヤー状バネ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、スプリングワツシヤー
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
弧で示してあるが、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つても良い。要はスプ
リングワツシヤー状バネ２１ａ，２１ｂ，２９
ａ，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
スプリングワツシヤー状バネ２１ａ，２１ｂのう
ずの向き２３ａ，２３ｂとスプリングワツシヤー
状バネ２９ａ，２９ｂのうずの向き２４ａ，２４
ｂ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ツシヤー状バネ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近傍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
図を同一部分は同一符号で示してある。したがつ
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
のスプリングワツシヤー状バネ３４ａ，３４ｂを
設け又、弁ケースの内壁に一端が固定され、他端
が中継可動体３５に固定される弁座３と平行な一
対のスプリングワツシヤー状バネ３３ａ，３３ｂ
を設け、かつスプリングワツシヤー状バネ３３
ａ，３３ｂのうずの向きとスプリングワツシヤー
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ツシヤー状バ
ネ３３ａ，３３ｂ，３４ａ，３４ｂの復元力によ
つて上記弁体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対のスプリングワツシヤ
ー状バネ３６ａ，３６ｂ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対のスプリングワツシ
ヤー状バネ３７ａ，３７ｂを設け、スプリングワ
ツシヤー状バネ３６ａ，３６ｂのうずの向きとス
プリングワツシヤー状バネ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１６ａの一端を取着したも
のとなつている。

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
はスプリングワツシヤー状バネ３３ａ，３３ｂ，
３４ａ，３４ｂの弾力性および弁ケース４内とシ
リンダ２内の圧力差とによつて弁座３に圧接され
ている。しかして、ピストン１が下死点近傍に接
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
１６ａに接触し、この棒体１６ａが図中右方向に
向つて移動している間に、スプリングワツシヤー
状バネ３６ａ，３６ｂ，３７ａ，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。圧力差が縮まると、上記
スプリングワツシヤー状バネ３６ａ，３６ｂ，３
７ａ，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ツシヤー状バネ３３
ａ，３３ｂ，３４ａ，３４ｂをたわませるための
エネルギとして消費される。したがつて、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はスプリングワツシヤー状バネ３６ａ，
３６ｂ，３７ａ，３７ｂの復元力によつて図中右
方へ運動し、その運動エネルギがスプリングワツ
シヤー状バネ３３ａ，３３ｂ，３４ａ，３４ｂの
弾性エネルギにほぼ等しくなつた時点で停止し、
その後スプリングワツシヤー状バネ３３ａ，３３
ｂ，３４ａ，３４ｂに蓄積された弾性エネルギの
放出によつて逆方向に移動し、弁座３に再び圧接
して弁口５を閉塞する。

したがつて、使用するスプリングワツシヤー状
バネ３３ａ，３３ｂ，３４ａ，３４ｂおよびスプ
リングワツシヤー状バネ３６ａ，３６ｂ，３７
ａ，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他の実施例を
適用した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
示してある。したがつて、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
記実施例と異なつている。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
となつている。ピストン１の頭部４２の中央部に
凹部４３を設け、この凹部４３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対のスプリングワツシヤー状バネ３６ａ，３６
ｂ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対のスプリングワツシヤー状バネ３７ａ，３
７ｂを設ける構成となつている。そして、中子１
１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１６ａ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ツシヤー状
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４３に
設けた棒体１６ａが弁口５を通つて弁体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〕

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、１１…中子、２
９ａ，２９ｂ，３７ａ，３７ｂ…スプリングワツ
シヤー状バネ（第１の弾性支持部材）、２１ａ，
２１ｂ，３６ａ，３６ｂ…スプリングワツシヤー
状バネ（第２の弾性支持部材）、３８…中継可動
体、４１…開放力伝達機構（弁体開閉機構）。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 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
   した時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自在に支持する
   中子支持機構と、 から成る弁体の開閉装置において、 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可
   動体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、 前記中継可動体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および第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時に、前記第１
   および第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時に前記中
   子がほぼ所定方向のみに変位するように構成した
   ことを特徴とする弁体の開閉装置。 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可動体から前記弁体
   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可動
   体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 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のスプリングワツシヤー状
   バネで構成されており、これら第１および第２の
   スプリングワツシヤ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第１および第
   ２のスプリングワツシヤ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消し合わせる
   ように構成したことを特徴とする特許請求の範囲
   第１項記載の弁体の開閉装置。