JPH0337066B2 - - 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、弁装置に係り、たとえば膨張エンジ
ンなどに組み込むのに適した膨張エンジンの吸気
弁装置に関する。

（従来の技術） 周知のように、各種機器において、弁装置は重
要な役割を果している。たとえば、ヘリウム液化
冷凍機用膨張エンジンでも弁装置は重要な役割を
果している。この種の膨張エンジンは、通常、シ
リンダと、このシリンダ内に往復動自在に収容さ
れたピストンと、吸・排気弁と、エネルギ吸収機
構等とで構成されており、シリンダ内で高圧ヘリ
ウムガスを断熱膨張させ、このとき高圧ヘリウム
ガスが有しているエネルギを吸収して低圧、低温
のヘリウムガスに変換している。膨張エンジンに
おける吸・排気弁も、自動車エンジンと同様にピ
ストンの往復動に対応させて開閉制御される。

ところで、膨張エンジンでは、扱うヘリウムガ
スの温度が80〜20Kと極低温で、しかも熱の侵入
が許されない。したがつて、このような装置に組
込まれる弁装置としては、摺動部のない、つまり
摩擦熱の発生しないものが望まれる。このような
ことから、従来の膨張エンジンでは、特に吸気弁
系に第８図および第９図に示すような弁装置が使
用されている。すなわち、これらの図において、
１は真空断熱槽内に配置されたシリンダを示し、
２はシリンダ１内に往復動自在に収容されたピス
トンを示している。シリンダ１のヘツド壁３は弁
座を兼用しており、このヘツド壁３の中央部に弁
口としての吸気口４が形成されている。ヘツド壁
３の外側には、シリンダ１より小径の吸気筒５が
同軸的に接続されている。吸気筒５内には、吸気
口４を開閉する吸気弁６が配置されている。この
吸気弁６は、円板状に形成された弁体７と、この
弁体７に同軸的に突設された支持軸８とで構成さ
れており、上記弁体７の上記支持軸８が突設され
ていない側の面をヘツド壁３の外面に向けて配置
されている。そして、弁体７のヘツド壁３側に位
置する面には樹脂製のシールリング９が装着され
ている。支持軸８の軸方向２箇所位置には、第９
図に示すように突起１０，１１が設けてあり、こ
れら突起１０，１１と吸気筒５の内周縁部に装着
された支持筒１２，１３とに円弧状に形成された
板ばね１４，１５が固定され、これら板ばね１
４，１５の復元力によつて弁体７は常時、吸気口
４を閉塞する向きに付勢されている。なお、弁体
７は、ピストン２の先端に突設されたプツシユロ
ツド１６によつて後述する関係に開閉制御され
る。また、図中１７は吸気筒５を図示しない高圧
ヘリウムガス供給源に接続するための配管を示
し、１８は後述する関係に開閉制御される排気弁
を示している。

このように構成された膨張エンジンの動作を簡
単に説明すると以下の通りである。すなわち、
今、第８図の状態において、ピストン２の先端が
ヘツド壁３に最も接近したとき（これを上死点と
する。）、ピストン２に設けられたプツシユロツド
１６が板ばね１４，１５に抗して弁体７を押す。
この結果、吸気口４が開き、この吸気口４より高
圧ヘリウムガスがシリンダ１内に流れ込む。この
ように流れ込むと、ピストン２の運動方向が切換
わり、ピストン２は下死点側へと向かう。プツシ
ユロツド１６が弁体７から離れると、吸気口４が
再び閉じる。閉込められたヘリウムガスはピスト
ン２の下死点側への移動に伴つて断熱膨張してい
く。したがつて、ヘリウムガスは低圧、低温とな
る。ピストン２が下死点付近まで移動すると、排
気弁１８を解放させる。ピストン２が下死点で反
転して再び上死点方向へ移動を開始すると、低
圧、低温となつたヘリウムガスはピストン２に押
されて排気弁１８から排気される。そして、ピス
トン２が上死点付近まで移動すると、排気弁１８
が閉じ、ピストン２の先端に設けられたプツシユ
ロツド１６が再び弁体７を押す。以後、吸気弁６
はピストン２が往復動するたびに上述した動作を
繰り返す。上記のような吸気弁系であると、吸気
弁６および板ばね１４，１５が無摺動状態で動作
するので、摩擦熱の発生がなく、しかもばね部材
の摩耗粉でシールリング９のシール面が荒らされ
ることがないので、冷凍機性能の向上化に寄与で
きる。

しかしながら、上記のように構成された吸気弁
系にあつては、次のような問題があつた。すなわ
ち、吸気弁６を支持するとともに吸気弁６に付勢
力を与える部材として円弧状の板ばね１４，１５
を用いるようにしている。このように板ばね１
４，１５を用いた場合には、これら板ばね１４，
１５の両端を支持軸８と支持筒１２，１３とに、
ねじ止めや溶接等によつて完全に固定しなければ
ならず、しかもシールリング９に確実にシール性
能を発揮させるためには各板ばね１４，１５の固
定を高精度に行なわなければならない。このた
め、組立てに長時間を要する問題があつた。ま
た、板ばね１４，１５の両端を固定しなければな
らないため、支持軸８や支持筒１２，１３の形状
が複雑となり、これらの製作に長時間を要する問
題があつた。さらに、弁装置としての性能、耐久
性を維持するために、板ばねを複数枚重ねたり、
あるいは板ばねを固定する部分に補助ばねを設け
たりする必要があるため構成が一層複雑化する問
題もあつた。

（発明が解決しようとする問題点） 上述の如く、従来の膨張エンジンにおける吸気
弁装置にあつては、無摺動型ではある反面、部品
点数が多く、しかも加工、組立てに長時間を要し
量産性に乏しいと言う問題があつた。

そこで本発明は、上述した不具合を解消できる
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。

［発明の構成］ （問題点を解決するための手段） 上記目的を達成するために、本発明は、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
ストンとによつ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
する膨張エンジンの吸気弁装置において、前記シ
リンダのヘツ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通じさせる吸気口と、
この吸気口を閉塞するように前記ヘツド壁の外面
に当てがわれた弁体と、この弁体に設けられた支
持軸と、この支持軸と静止部との間に設けられて
前記弁体を支持するとともに上記弁体に前記吸気
口を閉じる向きの力を常に付与する作用をなし、
始端部から終端部に至るまでの各部同志が接触す
ることのない渦巻きばねと、前記ピストンが定め
られた位置範囲にあるときに前記渦巻きばねの復
元力に抗して前記吸気口を解放させる向きに前記
弁体を移動させる弁操作機構とを備えている。

（作用） 渦巻きばねの復元力に抗して弁体に吸気口を開
く向きの力を加えると、渦巻きばねが変位して吸
気口が開く。また、上記力の付与を停止すると弁
体は吸気口を閉じる。この場合、弁体は無摺動状
態で吸気口を開閉する。また、渦巻きばねも、そ
の構造上無摺動状態で変位する。したがつて、完
全な無摺動、無摩耗開閉が実現されることにな
る。また、渦巻きばねと言つた単純な弾性体を使
用しているので、従来のものに比べて全構成を単
純化でき、製作・組立ての容易化を図れ量産性の
向上に寄与する。

（実施例） 以下、本発明の実施例を図面を参照しながら説
明する。

第１図は本発明の一実施例に係る吸気弁装置を
ヘリウム液化冷凍機用膨張エンジンにおける吸気
弁系に適用した例を示すものであり、第８図と同
一部分は同一符号で示してある。したがつて、重
複する部分の詳しい説明は省略する。

この実施例では、ヘツド壁３の外面周縁部にシ
リンダ１と同軸に筒部２１を一体的に設け、この
筒部２１を吸気筒としている。筒部２１内には吸
気口４を開閉する吸気弁２２が配置されている。
この吸気弁２２は、吸気口４より大径の円板状に
形成された弁体２３と、この弁体２３に同軸的に
突設された前記吸気口４より小径の支持軸２４と
で構成されており、上記弁体２３の上記支持軸２
４の突設されてない側の面をヘツド壁３の外面に
向けて配置されている。そして、弁体２３のヘツ
ド壁３側に位置している面には内径が吸気口４の
直径より大きい樹脂製のシールリング２５が装着
されている。筒部２１内には、ヘリウムガスの流
れを阻害しない流路を有し、環状の受け部を有し
たばね受け２６が装着されており、このばね受け
２６と前記支持軸２４との間に吸気弁２２を片持
ち支持状態に支持するとともに吸気口４を閉じる
向きに吸気弁２２を常時付勢する渦巻きばね２７
が装着されている。渦巻きばね２７は、全体の形
状がせつ頭円錐状に形成されており、大径部が前
記ばね受け２６に嵌合、かつ係止状態に支持さ
れ、小径部が前記支持軸２４に設けられた環状溝
２８内に嵌入して支持されている。また、渦巻き
ばね２７は、圧縮されて軸方向の長さが短くなつ
た場合でも始端部から終端に至る各部同志が接触
しない渦巻きピツチに形成されている。そして、
吸気弁２２への押付け力、つまり弁体２３を弁座
であるヘツド壁３へ押付ける力は大径部を支持し
ているばね受け２６の、いわゆる軸方向深さによ
つて設定されている。

このような構成であると、膨張エンジンとして
の動作は第８図に示した従来のものと変わりな
い。しかし、この場合には吸気弁２２を支持する
弾性体として前記構成の渦巻きばね２７を使用し
ているので、板ばねを使用したものに比べて吸気
弁系全体の構成を大幅に簡単化できる。すなわ
ち、渦巻きばね２７の両端を固定するには、この
実施例のように、大径部側をばね受け２６に嵌合
および係止させ、また小径側を支持軸２４に設け
られた環状溝２８内に嵌入させるだけで充分であ
る。したがつて、複雑な形状の固定部を必要とし
ない。このため、構成を単純化でき、製作、組立
ての容易化を図れ量産性を向上できる。しかも、
上記構成の渦巻きばね２７は圧縮されても、この
渦巻きばね２７の各部同志が接触することがな
い。したがつて、弁体２３の開閉動作は勿論のこ
と渦巻きばね２７の伸縮動作も無摺動、無摩耗で
行われることになる。したがつて、ばね部材から
の摩耗粉でシールリング２５のシール面が荒らさ
れることもない。また、伸縮時に各部が接触しな
い渦巻きばね２７を用いているので、この渦巻き
ばね２７の軸方向長さを短くでき、この結果、装
置全体の小形化にも寄与できる。すなわち、各部
が同一径である通常のコイルばねを使用した場
合、各円弧部同志が接触しないようにするには軸
方向長さを充分確保しなければならない。しか
し、上述した構成の渦巻きばね２７を使用する
と、最小に圧縮しても各円弧部同志が接触するよ
うなことはない。したがつて、軸方向の長さを短
くできるので、通常の同一径コイルばねに比べて
軸と直交する方向の剛性が高くなる。このため、
プツシユロツド１６の押圧による動作時に吸気弁
２２の軸心線と吸気口４の軸心線とが大幅にずれ
るのを抑制できる。このため、動作の信頼性を向
上させることができる。

なお、この実施例の場合には、せつ頭円錐状に
形成された渦巻きばね２７の小径部側で吸気弁２
２を支持させるようにしているので、いわゆる自
動調芯機構的な機能も期待でき、この結果、シー
ルリング２５の各部を弁座であるヘツド壁３へ均
一に接触させることができる。また、この実施例
のように、渦巻きばね２７の小径部でシールリン
グ２５の内径より内側において支持軸２４を支持
する構成であると、渦巻きばね２７の力に偏りが
生じた場合であつてもシールリング２５をヘツド
壁３の外面に確実に圧接させることができる。

第２図は、本発明の別の実施例に係る吸気弁装
置をヘリウム液化冷凍機用膨張エンジンの吸気弁
系に適用した例を示すものである。そして、第１
図と同一部分は同一符号で示してある。

この実施例においては、吸気弁２２ａの支持軸
２４を若干長くし、この支持軸２４の外周に鍔２
９を設けている。そして、筒部２１内にばね受け
筒３０，３１を同軸的に装着し、ばね受け筒３０
と支持軸２４における弁体２３近傍部との間およ
びばね受け筒３１と支持軸２４における鍔２９近
傍部との間にそれぞれせつ頭円錐状に形成された
渦巻きばね３２，３３を介在させたものとなつて
いる。この実施例においても、各渦巻きばね３
２，３３として、圧縮したとき各部が接触しない
渦巻きピツチのものが用いられている。

このように構成しても前記実施例と同様の効果
を期待することができる。そして、この実施例の
場合には渦巻きばね３２，３３を同軸的に配置し
ているので、吸気口４に対する吸気弁２２ａの位
置ずれを一層抑制することができる。

第３図は、本発明のさらに別の実施例に係る吸
気弁装置をヘリウム液化冷凍機用膨張エンジンの
吸気弁系に適用した例を示すものである。そし
て、第２図と同一部分は同一符号で示してある。

この実施例は、第２図に示した実施例における
シールリング２５を省略するために、吸気口４の
弁体２３側に位置する縁部を球面の一部をなす曲
面３４に形成し、さらに、弁体２３に上記曲面３
４と密接嵌合する半球体３５を固着し、この半球
体３５の頂部にプツシユロツド１６の先端を受け
止める凹部３６を設けたものとなつている。

このように構成しても前述した各実施例と同様
の効果を発揮させることができる。

第４図は本発明のさらに別の実施例に係る吸気
弁装置をヘリウム液化冷凍機用膨張エンジンの吸
気弁系に適用した例を示すものである。この図に
おいても第２図と同一部分が同一符号で示されて
いる。

この実施例は支持軸２４とばね受け筒３０，３
１との間に設けられる渦巻きばね３２ａ，３３ａ
として装着状態下で平板状となるものを使用した
点にある。

このような構成であると、前記実施例と同様の
効果が期待できるとともに吸気弁系の軸方向の長
さをさらに短くすることができる。

第５図は、本発明のさらに別の実施例に係る吸
気弁装置をヘリウム液化冷凍機用膨張エンジンの
吸気弁系に適用した例を示すものである。

この実施例では、吸気弁２２ｄとばね受け３７
との間に装着状態下で平板状となる渦巻きばね３
２ａを１個だけ介在させ、この渦巻きばね３３ａ
で吸気弁２２ｄを支持するとともに吸気口４を閉
じる向きの力を吸気弁２２ｄに与えるようにして
いる。このように構成しても勿論よい。

第６図は、本発明のさらに別の実施例に係る吸
気弁装置をヘリウム液化冷凍機用膨張エンジンの
吸気弁系に適用した例を示すもので、第１図と同
一部分は同一符号で示してある。

この実施例では、吸気弁２２ｅの弁体２３にプ
ツシユロツド１６ａを突設するとともにピストン
２の先端部に渦巻きばね３８を介して押子３９を
固定している。なお、押子３９の先端にはプツシ
ユロツド１６ａの先端部に嵌合しうる凹部４０が
形成されている。このように構成してもよい。

第７図は本発明のさらに別の実施例に係る吸気
弁装置をヘリウム液化冷凍機用膨張エンジンの吸
気弁系に適用した例を示すものである。この実施
例は、第６図に示した実施例におけるシールリン
グ２５を無くすようにしたもので、吸気口４の弁
体２３ｂ側に位置する縁部をテーパ面４１に形成
し、さらに、弁体２３ｂに上記テーパ面４１と嵌
合するテーパ面４２を形成したものとなつてい
る。このように構成してもよい。なお、第３図か
ら第７図では、排気弁が省略されている。

以上の実施例は、本発明をヘリウム液化冷凍機
用膨張エンジンの吸気弁系に適用した例である
が、本発明は膨張エンジン全般に適用できる。

［発明の効果］ 以上述べたように、本発明によれば、膨張エン
ジン用として望まれる機能および要件を全て満た
し、しかも全体の単純化を図れ、製作、組立ての
容易化に寄与できる膨張エンジンの吸気弁装置を
提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係る吸気弁装置を
組み込んだ膨張エンジンの局部的縦断面図、第２
図は本発明の別の実施例に係る吸気弁装置を組み
込んだ膨張エンジンの局部的縦断面図、第３図か
ら第７図は本発明のそれぞれ異なる実施例に係る
吸気弁装置を組み込んだ膨張エンジンの局部的縦
断面、第８図は従来の吸気弁装置を組み込んでな
る膨張エンジンの局部的縦断面図、第９図は同エ
ンジンを第８図におけるＡ−Ａ線に沿つて切断し
矢印方向に見た図である。 １……シリンダ、２……ピストン、３……ヘツ
ド壁、４……吸気口、２２，２２ａ，２２ｂ，２
２ｃ，２２ｄ，２２ｅ，２２ｆ……吸気弁、２
３，２３ａ，２３ｂ……弁体、２４……支持軸、
２７，３２，３３，３２ａ，３３ａ……渦巻きば
ね、１６，１６ａ……プツシユロツド。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 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つ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
   期的に導入する膨張エンジンの吸気弁装置におい
   て、前記シリンダのヘツ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通じさせる
   吸気口と、この吸気口を閉塞するように前記ヘツ
   ド壁の外面に当てがわれた弁体と、この弁体に設
   けられた支持軸と、この支持軸と静止部との間に
   設けられて前記弁体を支持するとともに上記弁体
   に前記吸気口を閉じる向きの力を常に付与する作
   用をなし、始端部から終端部に至るまでの各部同
   志が接触することのない渦巻きばねと、前記ピス
   トンが定められた位置範囲にあるときに前記渦巻
   きばねの復元力に抗して前記吸気口を解放させる
   向きに前記弁体を移動させる弁操作機構とを具備
   してなることを特徴とする膨張エンジンの吸気弁
   装置。 ２ 前記渦巻きばねは、せつ頭円錐状に形成さ
   れ、小径側が前記支持軸に連結されていることを
   特徴とする特許請求の範囲第１項記載の膨張エン
   ジンの吸気弁装置。 ３ 前記渦巻きばねは、前記支持軸と前記静止部
   との間に同軸的に複数設けられていることを特徴
   とする特許請求の範囲第１項記載の膨張エンジン
   の吸気弁装置。 ４ 前記弁体は、前記吸気口を貫通して前記弁操
   作機構から操作力を受けるロツドを備えているこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の膨張
   エンジンの吸気弁装置。 ５ 前記ヘツド壁に設けられた前記吸気口の内面
   と前記弁体の側面とは、互いに密接に嵌合する曲
   面に形成されていることを特徴とする特許請求の
   範囲第１項記載の膨張エンジンの吸気弁装置。