JP2011157059A - 走行中のタイヤ内部の圧力変化を利用した中空タイヤ用自動給気バルブ - Google Patents

Abstract

【課題】車体や車輪を一切改造することなく、バルブを交換するだけで、凹凸路面の走行や発進、操舵、停止により、自動的に空気が補充され、常に適正な圧力で安全に運転でき、走行抵抗やタイヤの劣化を減少させる。
【解決手段】中空タイヤのステム１７に取り付けるバルブにおいて、連動する大小２つのピストン・シリンダー機構５，１０を設け、大型のシリンダーをタイヤ内部へ連通させ、路面の凹凸等に伴う走行中のタイヤの変形によるタイヤ内部の圧力上昇を利用して、大型ピストン２を駆動し、連動する小型ピストン７で、外部から小型シリンダー６に吸入した空気を圧縮して、タイヤ内部に補充するものである。又、タイヤ内部の空気圧が一定の圧力まで上がると、大型ピストンを元の位置に戻すバネ４の力に勝って、大型ピストンが元の位置に戻らず、給気機能が停止する為、そのまま走行を続けても、タイヤ内部は一定圧力に維持される。
【選択図】図１

Description

本発明は、走行することにより自動で空気を補充する、中空タイヤ用バルブに関する。

以下にタイヤと呼ぶ、一般的なタイヤは輪形の中空構造である。その内側の一箇所にはステムと呼ばれる開口部があり、そこに逆止弁を持つバルブを配して閉塞する共に、空気の注入口となっている。しかし、単なる密閉構造の為、適正圧力まで空気を充填しても材質自体や隙間からの僅かな漏れにより、時間と共に内部の圧力が下がる。これを解決する為、特許文献１から３のようにポンプを設ける、特許文献４のように小型の高圧ボンベを設ける等の方法で適宜空気を補充し、タイヤ内部の圧力を一定範囲内に保つ発明がある。

特許公開２００６−２５６５８９ 特許公開２００９−７３４５３ 特許公開２００４−３３０８２０ 特許公開２００６−１１１０６１

タイヤ内部の圧力は僅かな漏れにより時間と共に低下して走行抵抗を増し、タイヤの劣化を加速する。ハブやタイヤ内部やバルブ等にポンプを設ける方法は車体等の改造が必要であり、特にタイヤの内部にポンプ類を設ける方法は、製造方法及びパンク時の処理等に技術的な困難がある。遠心力で空気を補充する方法は、低速走行では十分な遠心力が得られない。小型の高圧ボンベを配して空気を補充する方法は機能はするが、高圧ボンベ自体が嵩張り、高圧ボンベ自体の交換、又は高圧ボンベ自体への高圧空気の補充が必要である。本発明は、車体や車輪等に改造を必要とせず、取付けて走行するだけでタイヤ内部に空気を補充し、圧力を一定範囲内に保つ、自動給気バルブを供給することを目的とする。

本発明の名称である「走行中のタイヤ内部の圧力変化を利用した中空タイヤ用自動給気バルブ」は、以下「自動給気バルブ」と表記する。
第１の解決手段は、タイヤの空気注入口であるステムを閉塞してタイヤ内部の圧力を保持すると共に、外部からタイヤ内部へ空気の流入を許容するバルブにおいて、一端が閉塞された第１シリンダーと、前記第１シリンダー内に、摺動自在つまり前記第１シリンダーの軸方向に振幅自在に勘合する第１ピストンと、前記第１シリンダー内部の空間つまり前記第１シリンダーと前記第１ピストンに囲まれた空間を、タイヤ内部の空間に連通させるタイヤ連通部と、前記第１ピストンを前記タイヤ連通部方向に付勢する付勢手段から成る、第１ピストン・シリンダー機構と、第１シリンダーより直径と容積が小さく、一端が閉塞された第２シリンダーと、前記第２シリンダー内に、摺動自在つまり前記第２シリンダーの軸方向に振幅自在に勘合する第２ピストンと、外部から前記第２シリンダー内部の空間つまり前記第２シリンダーと前記第２ピストンに囲まれた空間への空気の流入を許容する第１逆止弁と、前記第２シリンダー内部の空間から外部への空気の流出を許容する第２逆止弁から成る、第２ピストン・シリンダー機構と、前記第１ピストン・シリンダー機構の動きに、前記第２ピストン・シリンダー機構の動きを連動させる連結材と、前記第２逆止弁から、前記第１シリンダー内部の空間及び連通するタイヤ内部の空間に、空気を流入させる給気流路により構成される。

第２の解決手段は、第１の解決手段の第２逆止弁と、第１シリンダー及び連通するタイヤ内部の空間との間に、所要の容積を持つ空気室と、前記空気室から第１シリンダー及び連通するタイヤ内部の空間への空気の流入を許容する第３逆止弁を設けたものである。

第３の解決手段は、第１の解決手段の第２逆止弁と、第１シリンダー及び連通するタイヤ内部の空間との間に、所要の容積を持つ空気室と、前記空気室から第１シリンダー及び連通するタイヤ内部の空間に連通する狭い通気路を設けたものである。

第４の解決手段は、第１から第３の解決手段を構成する２つのピストンのうち、少なくとも１つのピストンをダイヤフラムに置き換えたものである。

第５の解決手段は、第１から第４の解決手段を構成する付勢手段の一端に、車軸の放射方向である第１シリンダーの軸方向に、移動自在に配された錘を設けたものである。

本発明の原理は、走行中の車両の揺れを原動力として、その力を利用して外気を圧縮して、タイヤ内部に空気を補充するもので、例えて言えば、自動車等のサスペンションのバネに並べてピストン・シリンダー式の空気入れを配し、その給気ホースを車軸からタイヤ内部に連通させ、走行中の車体の上下動を利用してタイヤに空気を補充する原理であるが、車体の上下動そのものではなく、同時に発生するタイヤの変形によるタイヤ内の圧力変化を利用する機構をバルブに一体化することで、車体の改造を不要にしたものである。
要約すれば、第１ピストン・シリンダー機構５は、走行中のタイヤ内部の圧力変動の感応機構として働いて動力源となり、それに連動する第２ピストン・シリンダー機構１０が、空気圧縮機構として働き、外気を吸入、圧縮してタイヤ内部に補充するものである。
具体的作用としては、走行中のタイヤは路面の凹凸により変形して衝撃を吸収しており、発進、操舵、停止時にも重心移動でタイヤは変形するが、その時、タイヤ内部の空気は一時的に圧縮され、通常より高圧になる。本自動給気バルブをタイヤに取り付けると、タイヤの変形に伴う内部の圧力上昇により、タイヤ内部と連通している第１シリンダー内部の圧力が上昇して第１ピストンを駆動する、その動きに第２ピストンが連動して、第２シリンダー内部の空気を圧縮する、圧縮された空気は第２逆止弁から給気流路を通って、第１シリンダー及び連通するタイヤ内部に補充される。
尚、タイヤ内部は外気より高圧であり、タイヤが変形している時、タイヤ及び連通する第１シリンダー内部は通常よりさらに高圧になっているが、その高圧を受けた大面積の第１ピストンで、小面積かつ小容積の第２ピストンを駆動する為に、補充する側の第２シリンダー内部は、補充される側の第１シリンダー及びタイヤ内部よりさらに高圧になり、第２シリンダー内部から第１シリンダー及びタイヤ内部へ空気を補充することができる。
又、タイヤ内部の圧力が一定以上に上昇すると、第１ピストンが付勢手段を押し戻し、連動する第２ピストンが第２シリンダーの閉塞側に留まり、タイヤ内部の空気圧がそれ以上上昇しても振幅せず、給気機能が停止する為、タイヤ内部は一定圧力に維持される。

第２の解決手段の作用は、空気室と第３逆止弁を設けたことにより、タイヤが変形する時、第３逆止弁により隔離された空気室には、タイヤ及び第１シリンダー内部の圧力上昇が及ばない為、第２シリンダーで圧縮された空気が第２逆止弁から空気室に排出されて一旦貯蔵され、路面の凹凸やコーナーを超えてタイヤ及び第１シリンダー内部の圧力が通常の圧力に戻った時、空気室から第３逆止弁を通して第１シリンダー及びタイヤ内部に空気が補充される。これにより、変形によって通常より高圧になっている第１シリンダー及びタイヤ内部に直接空気を補充する第１の解決手段に比べ、より効率よく空気が補充される、又、第３逆止弁を類似の機能の狭い通気路に置き換えたものが第３の解決手段である。

第４の解決手段で、ピストンに置き換えたダイヤフラムは、シリンダーの軸方向に振幅する動作及び機能は同じであり、振幅できる幅は限られるが、周囲をシリンダー壁に密着固定することができる為、ピストンに比べて簡単な構造で空気の漏れが非常に少ない。

第５の解決手段は、付勢手段の第２シリンダー側の一端にタイヤの車軸の放射方向、ここでは第１シリンダーの軸方向に移動自在に配された錘を設けたもので、タイヤの回転によって錘に働く遠心力が、付勢手段自体が持つ付勢力に加わり、付勢力が増加する為、高速走行ではタイヤの内部圧力は自動的に高速走行に適したより高い圧力になる。

上記構成と作用により、車体や車輪等に改造を必要とせず取付けるだけで、凹凸路面の走行や発進、操舵、停止時のタイヤの変形に伴うタイヤ内部の圧力の変化を原動力として、自動的にタイヤに空気を補充する結果、手動で定期的に補充しなくても常に適正な圧力で安全に運転でき、走行抵抗が少なく燃料消費やタイヤの劣化を減少させる効果がある。

第１の実施形態を示す正面断面図 第１の実施形態を示す平面図 第２の実施形態を示す正面断面図 第４の実施形態を示す側面断面図 第２及び第５の実施形態を示す正面断面図 付勢手段の力を調整可能にした実施形態の正面断面図

以下、本発明の実施の形態について、図面により説明するが、原理説明の為、図面は部分的に簡略化、誇張されており、シール等、周知の技術は省略してある。
図１において、第１シリンダー１は下方の一端が閉塞され、閉塞部の中央にはタイヤ連通部３が開口しており、連通部３の下端はステム１７に接続して連通する構造である。
第１シリンダー１の内には、その内径に勘合する第１ピストン２が摺動自在つまり第１シリンダー１の軸方向に振幅自在に配されるとともに、付勢手段４であるコイルバネにより、タイヤ連通部３が設けられている下方向に付勢されて、第１ピストン・シリンダー機構５を構成している。第２シリンダー６は、第１シリンダー１より内径、容積が小さく、同軸上に配され、その上方の一端が閉塞され、閉塞部の中央には、外部から第２シリンダー６の内部への空気の流入を許容する第１逆止弁８が設けられ、第２シリンダー６の内には、その内径に勘合する第２ピストン７が、摺動自在つまり第２シリンダー６の軸方向に振幅自在に配され、第２ピストン７の中央には、第２シリンダー６の内部の空間つまり第２シリンダー６と第２ピストン７に囲まれた空間から外部への空気の流出を許容する第２逆止弁９が設けられて、第２ピストン・シリンダー機構１０を構成している。
第１及び第２の２つのピストン・シリンダー機構は、連動するよう、第１シリンダー１と第２シリンダー６が、連結材１１で連結され、第１ピストン２と第２ピストン７が、連結材１２で連結されている。又、連結材１２は、その内部が中空となっており、連結により第２ピストン７に設けられた第２逆止弁９の出口側から、第１ピストン２を貫通して、第１シリンダー１の内部及び、連通するタイヤ内部への給気流路１３を構成している。

本自動給気バルブは、ステム連通部３をタイヤのステム１７に取り付けて、タイヤ内部と第１シリンダー１の内部を連通させて使用する。図１は米国式ステムの例で、ねじ込むことでステム逆止弁開放用バー１８がステム１７の逆止弁を開放して連通させている。
その作用は、走行中に、路面の凹凸やコーナリングによりタイヤが変形すると、タイヤ内部及び第１シリンダー１の内部の圧力が上がり、通常の圧力では釣り合っていた付勢手段４であるコイルバネの力を上回り、第１ピストン２を上方に駆動する。第１ピストン２と連結材１２で連結された第２ピストン７が押し上げられ、第２シリンダー６の内部の空気が圧縮される。この時、第２ピストン７は、第１ピストン２より少ない面積で同じストロークを移動する、つまり容積が小さい為、原動力である第１シリンダー１の内部圧力をさらに上回る高圧を作り出し、第２逆止弁９と給気流路１３を通して第１シリンダー１及びタイヤ内部に空気を補充する。路面の凹凸又はコーナーを超えて、タイヤ及び第１シリンダー１の内部の圧力が通常に戻ると、付勢手段４であるコイルバネの働きにより、第１ピストン２は元の位置であるタイヤ連通部３の側に押し戻され、連結された第２ピストン７は第２シリンダー６の閉塞部側から離れ、第２シリンダー６の内部が大気圧よりやや減圧され、その第２シリンダー６の内部に、第１逆止弁８を通して新たな外気が流入する。
上記の動作を繰り返すことにより、走行するだけでタイヤ内部に自動的に空気を補充する。又、空気の補充により、タイヤ及び第１シリンダー１の内部圧力が一定以上に上がると、第１ピストン２が付勢手段４を押し上げてタイヤ連通部３から遠ざかり、連結された第２ピストン７が、第２シリンダー６の閉塞側に押し上げられ、シリンダー内での振幅の幅が無くなり新たな空気の補充が止まる為、タイヤ内部の圧力は一定範囲内に保たれる。

以上が実施形態の１例であり、他の形態、代替手段等について以下に補足する。図では説明の為、シリンダーの直径を始めとして、部材の大きさは誇張されているが、実際には空気が充填されたタイヤからの空気の自然漏出量は少なく、路面の凹凸超えや発進、操舵、停止する回数は多い、従って１回の動作による空気の補充量は極少量でも十分に漏出量を補ってタイヤ内部の気圧を維持できる為、実際には図より小型の装置となる。
又、本自動給気バルブはタイヤ内に一定の圧力がないと機能しない為、最初は通常の空気入れで空気を注入する必要がある、その為、第１逆止弁８の吸気口をステムと同形状に成形して、ステム代替部１９として、空気入れとの接続を図っている。
その第１逆止弁８も実際には図より小型、小流量になる為、ステム代替部１９と兼用すると手動の空気入れでは時間がかかるので、図４で流量の多い逆止弁を持つステム代替部１９を、第１逆止弁８とは別に設けた例を示している。又、第１逆止弁８の吸気口はフィルター等で水や埃の吸い込みを防ぐことができる。又、走行しない場合は第１逆止弁８の吸気口にキャップをして空気漏れを防ぎ、キャップを緩めて走行することもできる。
又、リムを改造できる場合は、リムの本自動給気バルブの対抗位置に、本来の空気注入用のステムを別に設けて、ステム代替部１９を廃止すれば、ホイールバランスも改善する。

図３は、第２の解決手段を表す正面断面図であり、２つのピストンと連結材を一体構造とし、給気流路１３の容積を大きくして空気室１４とし、その出口に第３逆止弁１５を設けたものである。給気流路１３及び空気室１４は、図３のように連結材１２の内部に構成する他、第１シリンダー１の内部で付勢手段４を収めている空間を利用する方法や、シリンダーの外部にバイパスする形で設けることもできる。第１シリンダー１の付勢手段４を収めている内部空間を空気室１４に利用する場合は、その空間の圧縮への反発力を付勢手段の力の一部に利用できる。利用しない場合はその空間は外気に開放することもできる。
又、第３逆止弁１５に換えて狭い通気路２５を設ける第３の解決手段を図６に示す。狭い通気路２５は、逆止弁と異なり双方向に空気が流れるが、時間当たりの通過可能流量が少ない為、タイヤが変形して第１シリンダー１の内の圧力が急速に上昇した時は、空気室１４の側にほとんど空気を流さず、第１シリンダー１の内の圧力が元に戻った時は空気室１４の側から徐々に空気が流れる為、簡単な構造で第３逆止弁１５と類似の働きをする。
他の実施形態の例としては、第１シリンダー１の中の付勢手段４を収める空間を、空気室１４として利用して、第２シリンダー６で圧縮した空気をその空気室１４に送り、第１ピストン２に細い貫通口を設ける、又は第１シリンダー１と第１ピストン２の摺動面の隙間を狭い通気路とすれば、ピストンのシールが不要となり、構造がより簡略化される。

図４は、第４の解決手段を表す側面断面図であり、第１ピストン２に換えてダイヤフラム１６が、その周囲を第１シリンダー１の側壁に固定されて中央部だけが振幅自在に配さされている、またダイヤフラム１６に第２シリンダー６が直結されており、第２ピストン７を第１シリンダー１との連結材と一体成形することで部品点数を減らしている。

図５は、第５の解決手段を示す正面断面図で、付勢手段４の上に、第１シリンダー内にその軸方向に移動自在に錘２４を配した例であり、タイヤが高速回転すると、錘２４に働く遠心力が第１ピストン２に対して追加の付勢力となり、走行中のバルブの軌跡による遠心力の変動と相まって高速運転に適したより高圧になるまで空気を補充する。この錘２４は付勢手段４の第１ピストン２の側に設けるか、第１ピストン２と一体化しても同じ働きをするが、第１ピストン自体の慣性が増大し動きが悪化する。シリンダーの軸が錘２４に働く遠心力方向と異なる場合は、リンクによって連携させる等、他の連携方法もある。
全ての解決手段において一定以上の圧力で働く安全弁を設ける事で安全性が高まる。

図６は、付勢力調整ネジ２１により、付勢手段４の付勢する力を調整する一例の正面断面図であり、これによりタイヤ内部で維持される圧力を任意に設定することができる。

第１ピストン・シリンダー機構５に、第２ピストン・シリンダー機構１０を連動させるとは、第１ピストン・シリンダー機構５で受けた圧力変動を原動力として第２ピストン・シリンダー機構１０を働かせて外部から吸入した空気を圧縮することであり、その連結はピストン同士、又はピストンとシリンダーの連結でも良く、直結でもリンクによる連結でも良く、リンクを梃子として機能させて、第１シリンダー１と第２シリンダー６を同じ半径にして、第１ピストン２より第２ピストン７のストロークを小さくする方法もある。
タイヤ連通部３はチューブ２０の内部、もしくはチューブレスの場合はタイヤ内部と第１シリンダー１の内部が同じ気圧になるよう連通させる部材であれば良く、その形状、材質、本自動給気バルブのリムへの取り付け方法等は限定されない。
本自動給気バルブの各種タイヤへの取り付けについては、図１では米国式ステムにねじ込む方法を前提に書かれているが、図５に示すように相応の形状にすることで英国式バルブ２２等他の形状のステムにも取り付けることができ、チューブレスの場合等は、図４に示すように、タイヤ連通部３の末端を既存のステムの末端と同じ形状にすることで、本自動給気バルブ自体を既存のステムと交換してリム２３に直接取り付けることもできる。

１ 第１シリンダー
２ 第１ピストン
３ タイヤ連通部
４ 付勢手段
５ 第１ピストン・シリンダー機構
６ 第２シリンダー
７ 第２ピストン
８ 第１逆止弁
９ 第２逆止弁
１０ 第２ピストン・シリンダー機構
１１、１２ 連結材
１３ 給気流路
１４ 空気室
１５ 第３逆止弁
１６ ダイヤフラム
１７ ステム
２０ チューブ
２１ 付勢力調整ネジ
２４ 錘
２５ 狭い通気路

Claims (6)

1. 中空タイヤの空気注入口に取り付けて、外部からタイヤ内部への気体の流入を許容するとともに内部の圧力を保持するバルブにおいて、一端が閉塞された第１シリンダーと、前記第１シリンダー内に摺動自在に勘合する第１ピストンと、前記第１シリンダー内部の空間をタイヤ内部の空間に連通させるタイヤ連通部と、前記第１ピストンを前記タイヤ連通部方向に付勢する付勢手段から成る第１ピストン・シリンダー機構と、前記第１シリンダーより容積が小さく一端が閉塞された第２シリンダーと、前記第２シリンダー内に摺動自在に勘合する第２ピストンと、外部から前記第２シリンダー内部の空間への気体の流入を許容する第１逆止弁と、前記第２シリンダー内部の空間から外部への気体の流出を許容する第２逆止弁から成る第２ピストン・シリンダー機構と、前記第１ピストン・シリンダー機構と前記第２ピストン・シリンダー機構を連動させる連結材と、前記第２逆止弁から前記第１シリンダー内部の空間へ気体を流入させる給気流路を備えることを特徴とする、走行中のタイヤ内部の圧力変化を利用した中空タイヤ用自動給気バルブ。
2. 前記第２逆止弁と前記第１シリンダー内部の空間との間に、空気室と、前記空気室から前記第１シリンダー内部の空間への気体の流入を許容する第３逆止弁を設けた、請求項１に記載の、走行中のタイヤ内部の圧力変化を利用した中空タイヤ用自動給気バルブ。
3. 前記第２逆止弁と前記第１シリンダー内部の空間との間に、空気室と、前記空気室と前記第１シリンダー内部の空間を連通させる狭い通気路を設けた、請求項１に記載の、走行中のタイヤ内部の圧力変化を利用した中空タイヤ用自動給気バルブ。
4. 前記第１ピストンと前記第２ピストンの２つのピストンのうち少なくとも１つのピストンをダイヤフラムに置き換えた、請求項１から３のいずれか１項に記載の、走行中のタイヤ内部の圧力変化を利用した中空タイヤ用自動給気バルブ。
5. 前記付勢手段に、車軸の放射方向に移動自在に配された錘を連携させた、請求項１から４のいずれか１項に記載の、走行中のタイヤ内部の圧力変化を利用した中空タイヤ用自動給気バルブ。
6. 中空タイヤの空気注入口に取り付けて、外部からタイヤ内部への気体の流入を許容するとともに内部の圧力を保持するバルブにおいて、連通部により、タイヤ内部と連通して、その圧力に感応する気圧感応機構と、前記気圧感応機構により駆動される気体圧縮機構と、前記気体圧縮機構によって圧縮された気体をタイヤ内部に流入させる給気流路を備えることを特徴とする、走行中のタイヤ内部の圧力変化を利用した中空タイヤ用自動給気バルブ。

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