JPS62228766A - 弁装置 - 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］ （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弁装置に関する。

（従来の技術） 流体の流通制御を行なう弁装置には種々のものがあり、
その構造は用途によって異なる。特に。

レシプロ型曙関の動弁系は、内燃機関、圧縮機などの種
類や、その目的に応じた構造となっている。

たとえば、ヘリウム液化冷凍機に用いられる膨張エンジ
ンでは、断熱槽の内・外に亙る部品を少なくして外部か
らの熱侵入を最少限に抑えるために１通常、断熱槽内の
ピストンによって吸・排気弁を直接駆動する方式を採用
している。

第８図および第９図は、上述した弁駆動方式を採用した
膨張エンジンを示している。これらの因において、１は
シリンダを示し、このシリンダ１のヘッド壁２の中央部
には図示しない高圧ヘリウムガス供給源に通じる吸気口
３が形成されている。

この吸気口３の外側には、吸気口３を閉じる関係に吸気
弁４が配置されており、この吸気弁４は図示しないばね
によって常に吸気口３を閉塞する方向へ付勢されている
。そして、吸気弁４には吸気口３を遊嵌状態に貫通して
シリンダ１内まで延びる操作ロッド５が突設されている
。

シリンダ１の筒部で、ヘッド壁２に近い部分には排気ロ
アが複数周方向に形成されており、これら排気ロアは排
気路８に通じている。シリンダ１内には、半割り構成の
ばねリングで形成された排気弁操作部材９がシリンダ１
の内面に沿って摺動自在に装着されている。この排気弁
操作部材９の外周面には溝１０が形成されており、この
満１０には一部が外方に突出して前記排気ロアを開閉す
るリング状バット部材で形成された排気弁１１が装着さ
れている。排気弁操作部材９には、シリンダ１の内面に
沿って軸方向へ延びる脚部１２ａ。

１２ｂが設けてあり、これら脚部１２ａ、１２ｂの先端
部には内方へ向かう突部１３ａ、１３ｂがそれぞれ形成
されている。シリンダ１内には往復動自在にピストン１
４が装着されている。このピストン１４の先端側部分１
５は前記排気弁操作部材９に嵌合し得る径に形成されて
おり、この部分１５の基端部には前記排気弁操作部材９
に係合し得る段部１６が形成されている。ピストン１４
の中間部外周には前記突部１３ａ、１３ｂを嵌入させる
溝１７ａ、１’７ｂが軸方向に形成されている。

このように構成された膨張エンジンの特に、排気弁１１
は次のように動作する。すなわち、今。

第８図の状態において、ピストン１４の先端がヘッド！
！！２に最も接近したときくこれを上死点とする。）、
吸気弁４に設けられた操作ロッド５がビス！・ン１４に
押され、この結果、吸気弁４が開き。

吸気口３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１４の摺動方向が
切換ねり、ピストン１４は下死点側へと向かう。所定愚
の高圧ヘリウムガスが流入したとき、吸気弁４が閉じる
。閉込められたヘリウムガスはピストン１４の下死点側
への移動に伴って断熱膨張していく。したがって、ヘリ
ウムガスは低圧、低温となる。ピストン１４が下死点付
近まで移動すると、溝１７ａ、１７ｂの一方の終端１８
ａ、１８ｂが突部１３ａ、１３ｂに係合し。

この結果、排気弁操作部材９がピストン１４と一体に移
動して第９図に示ずように排気ロアを解放させる。

排気弁操作部材９は、ピストン１４が下死点に達するま
で摺動移動するが、ピストン１４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。

ピストン１４との係合状態が解除され、そのままの位置
に停滞する。したがって、ピストン１４だけが上死点方
向へ移動する。排気ロアは解放されたままに保たれてい
るので、低圧、低温となったヘリウムガスはピストン１
４に押されて排気ロアから排気される。そして、ピスト
ン１４が上死点付近、つまり操作ロッド５を押す手前の
位置まで移動すると９段部１６が排気弁操作部材９に係
合し、この結果、排気弁操作部材９はピストン１４と一
体に移動する。したがって、排気弁１１が排気ロアを閉
じることになる。排気弁１１はとストン１４が往復動す
るたびに上述した動作を繰り返す。上記説明から判かる
ように排気弁１１は、ピストン１４がヘッド壁２から離
れる方向に移動したときは、ピストン１４がヘッド壁２
より第１の距離移動したところから排気ロアを解放し、
ピストン１４がヘッド壁２に近付く方向に移動したとき
には、ピストン１４がヘッド壁２に前記第１の距離より
小さい第２の距離まで接近したころからピストン１４と
一体に移動して排気ロアを閉じると言う特有の動作を行
なっている。

しかしながら、上記のような排気弁構成を採用した膨張
エンジンにあっては１次のような問題があった。すなわ
ち、排気弁１１を構成しているバラ［・は、排気ロアを
開閉するとき、排気ロアを横切って摺動する。このため
、排気弁１１の摺動面が摩耗し易く、急速に粗になる。

特に、排気弁１１のシール性を高めるために排気弁操作
部材９にばね性を持たせて排気弁１１を排気ロアに押付
ける構成を採用しているので、排気弁１１の摩耗が短時
間に著しく増加する。このため、排気弁１１のシール性
が短時間で低下し、長期間に亙って連続運転を行なうこ
とができない問題があった。

（発明が解決しようとする問題点）。

上述の如く、構造的に排気弁の耐久性を低下させる問題
ある。

そこで本発明は、排気弁の耐久性を向上させることがで
き、もって長期に亙る連続運転を可能化できる弁装置を
提供することにある。

［発明の構成］ （問題点を解決するための手段） 本発明は、弁体が可動体の動きに関連して前述の如く独
特の動作を行なう弁装置、つまりシリンダと、このシリ
ンダ内を往復動する可動体と。

前記シリンダに設けられた弁口と、この弁口に内側から
上記弁口を閉塞するように当てがわれた弁体と、この弁
体に連結されるとともに前記シリンダの内面に沿って開
動自在に設けられ前記可動体が前記シリンダのヘッド壁
から離れる方向に移動したときは上記可動体が上記ヘッ
ド壁より第１の距離移動したところから上記可動体と一
体に移動して前記弁口を解放させる方向に前記弁体を移
動させ、上記可動体が上記ヘッド壁に近付く方向に移動
したときには上記可動体が上記ヘッド壁に前記第１の距
離より小さい第２の距離まで接近、したころから上記可
動体と一体に移動して前記弁口を閉じる方向に前記弁体
を移動させる弁操作部材とを備えた弁装置を対象にして
いる。このような弁装置において、前記弁口を前記シリ
ンダのヘッド壁に設けるとともに内、側から上記弁口を
閉塞するように弁体を設け、この弁体に常に前記弁口を
閉じる向きの力を付与する弾性体を設け、ざらに前記弁
操作部材の前記シリンダ内面との間の摺動抵抗を前記弾
性体の最大変位時の弾性荷重より大に設定している。

（作用） 弁体はヘッド壁に対して単に軸方向の接離。

つまり活動が伴わない方向に動いて弁口を開閉する。し
たがって、弁体やこれに付設されるシール材には摩耗が
生じない。また、弁体の閉塞力は弾性体によって与えら
れる。このように閉塞力を弾性体によって与えたとき、
この力は弁操作部材にも加わる。可動体がヘッド壁に近
付く方向に移動したとき、上記可動体が第１の距離まで
近付く間に上記力によって弁操作部材が移動しようとし
ても弁操作部材の！習動抵抗と弾性体の弾性荷重との関
係を前記のように設定しているので弁操作部材が動きだ
すようなことはない。したがって、弁体は可動体の動き
に応じて設定通りの前述した特有の開閉動作を行なう。

（実流例） 以下９本発明の実施例を図面を参照しながら説明する。

第１図は本発明をヘリウム液化冷凍機の膨張エンジンに
おける排気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いる。

したがって１重複する部分の詳しい説明は省略する。

この実施例では、シリンダ１のヘッド壁２で周辺位置に
排気口２１が周方向に亙って３箇所設けられており、ま
た吸気口３の周縁部にピストン１４側に向けて操作ロッ
ド５の先端を越えない距離だけ突出する突周壁２２が設
けられている。シリンダ１内には、排気口２１を内側か
ら閉塞する関係に排気弁２３が配置されている。この排
気弁２３は、第３図にも示すように全体が円筒状に形成
されており、各排気口２１に対面する位置にシール板２
４を装着している。なお、このシール板２４はリング状
のものに置き変えることもできる。

排気弁２３のヘッド壁２側内縁部には環状溝２５が形成
されており、この環状溝２５に対向する関係に前記突周
壁２２の外周面にも環状溝２６が形成されている。そし
て、環状溝２６に内周側が支持され、環状溝２５に外周
側が支持される関係にうず巻きばね２７が装着されてい
る。このうす巻きばね２７は、排気弁２３に対し前記排
気口２１を常に閉じる向きの力を与える関係に装着され
ている。

排気弁２３のピストン１４側に位置する部分には第３図
に示すようにかぎ溝２８が周方向の３箇所に亙って設け
られている。そして、排気弁２３は、かぎ溝２８を介し
てシリンダ１内に摺動自在に配置された排気弁操作部材
３０に連結されている。排気弁操作部材３０は、第３図
に示すようにリング状で半割構成のばねリング３１と、
このばねリング３１の端面に軸方向へ突設され前記かぎ
溝２８に軸方向の遊びＰを有して嵌合するかぎ状の突起
部３２と、この突起部３２が設けられている端部とは反
対側の端部に軸方向へ突設された脚部３３ａ、３３ｂと
、これら脚部３３ａ、３３ｂの先端部に内方へ向かう関
係に突設されピストン１４に設けられた溝１７ａ、１７
ｂに入り込む突部３４ａ、３４ｂと、ばねリング３１の
外周に形成された満３５と、この溝３５内に装着された
半割構成の摺動抵抗材３６とで構成されている。このよ
うに構成された排気弁操作部材３０は、ばねリング３１
の部分に半径方向のたわみを与えてシリンダ１内に装着
されている。このため、ｌ！ｌ動抵抗材３６は所定の荷
重でシリンダ１の内面に押し付けられている。つまり、
排気弁操作部材３０は。

所定の摺動抵抗値でシリンダ１の内面を軸方向に摺動可
能となっている。この場合、ばねリング３１の半径方向
のたわみ員の設定によって上述した摺動抵抗値が前述し
たうす巻きばね２７の最大変位時の弾性荷重より大とな
るように設定されている。

なお、第１図中３７はヘッド壁２に一体的に形成され吸
気ボートを形成するカバ一部を示し。

３８は吸気管を示し、３９は吸気弁４に常に吸気口３を
閉じる方向の力を与えるばねを示し、４０は排気管を示
している。

次に、上記のように構成された膨張エンジンの動作を説
明する。

まず、排気弁操作部材３０およびピストン１４が第１図
に示す位置にあり、ピストン１４が下死点方向に移動し
ているものとする。前述の如く。

排気弁２３に設けられたかぎＷ４２８と、排気弁操作部
材３０に設けられたかぎ状の突起部３２とは軸方向に遊
びＰを有して嵌合している。このため。

上記状態ではうず巻きばね２７によって排気弁２３は排
気口２１を閉じる方向の力を受ける。したがって、排気
口２１は完全に閉じられた状態下にある。また、上記状
態ではシリンダ１内に閉込められているヘリウムガスが
ビスｉ〜ン１４の下死点側への移動に伴って断熱膨張し
て低圧、低温となる。ピストン１４が下死点付近まで移
動すると。

溝１７ａ、１７ｂの一方の溝端１８ａ、１８ｂが突部３
３ａ、３３ｂに係合し、この結果、排気弁操作部材３０
がピストン１４と一体に移動する。

そして、遊びＰの時間経過後、排気弁２３がうす巻きば
ね２７に抗して下死点側へ移動を開始し。

これによって排気口２１が解放状態どなる。

排気弁操作部材３０は、ピストン１４が下死点に達する
まで摺動移動するが、ピストン１４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、ピストン１４との
保合状態が解除される。このとき、ｆｉ！！動抵抗材３
６の摺動抵抗値とうす巻きばね２７の荷重との関係が前
記関係に設定されていることが有効に作用して、排気弁
操作部材３０はそのままの位置に停滞する。したがって
、第２図に示すように、ピストン１４だけが上死点方向
へ移動する。排気ロアは解放されたままに保たれている
ので、低圧、低温となったヘリウムガスはピストン１４
に押されて排気口２１から排気される。そして、ビス１
〜ン１４が上死点付近、つまり操作ロッド５を押す手前
の位置まで移動すると。

溝１７ａ、１７ｂの他方の溝端１８ｃ、１８ｄが突部３
４ａ、３４ｂに係合し、この結果、排気弁操作部材３０
はピストン１４と一体に移動する。

そして、ピストン１４が下死点に至る直前に遊びＰの存
在によって排気弁２３は排気弁操作部材３０の拘束から
解放され第１図に示すように排気口２１を閉じることに
なる。排気弁２３はピストン１４が往復動するたびに上
述した動作を繰り返す。

上述した動作から判かるように、排気弁２３は排気口２
１に対し単に接離する方向しか動かず。

摺動動作が伴う動きは全くしない。したがって。

シール板２４の摩耗や損傷の発生を確実に防止でき、長
期に亙る連続運転の実現に寄与できる。また、摺動抵抗
材３６の摺動抵抗値とうず巻きばね２７の荷重との関係
を前述した関係に設定しているので排気弁２３に要求さ
れる前述した特有の動作を確実に繰返し実行させること
ができる。なお、。

実施例のようにうず巻きばね２７を使用すると。

軸方向の距離を必要とせずに排気弁２３に所要の付勢力
を与えることができるので、全体の小形化にも寄与でき
る。

本発明は上述した実施例に限られるものではなく種々変
形することができる。すなわち、排気弁２３に対し、常
に排気口２１を閉じる方向の力を付与する弾性体として
は、第４図に示すように円弧状の板ばね４１ａ、４１ｂ
を使用するようにしてもよい。。

第５図は本発明の別の実施例を示すものである。

この実施例も本発明を膨張エンジンに適用したものであ
り、第１図と同一部分は同一符号で示しである。したが
って１重複する部分の詳しい説明は省略する。

この実施例では、排気口２１に、この排気口２１より小
径の軸４２をそれぞれ挿通し、この軸４２のシリンダ１
内に位置する部分に排気弁４３を固着し、さらに先端部
にかき状部４４を形成している。また、軸４２の排気路
８内に位置する部分に止め輪４５を固定し、この止め輪
４５とヘッド壁２との間に排気弁４３を常に閉じる方向
に付勢するコイルばね４６を介在させている。そして。

排気弁操作部材３０ａにおけるばねリング３１の端部に
上記かぎ状部４４に軸方向に遊びＰを有して係合する突
起部４７を設け、さらに摺動抵抗材３６の摺動抵抗値を
コイルばね４６の圧縮荷重より大に設定したものとなっ
ている。なお１図中４８は排気弁４３に固定されたシー
ルリングを示している。また、第６図はコイルばね４６
に抗して排気弁４３が移動し、排気口２１が解放されて
いる状態を示している。

このように構成しても前記実施例と同様の動作を行なわ
せることができ、同様の効果を発揮させることができる
。

第７図は本発明のさらに別の実施例を示すものである。

この実施例も１本発明を膨張エンジンの排気系に適用し
た例であり、第１図と同一部分は同一符号で示しである
。したがって０重複する部分の説明は省略する。

この実施例では、第１図のものと同様に形成された排気
弁５１の端面に排気口２１より小径の案内脚５２を排気
口２１の数と同数設け、これら案内脚５２を排気口２１
に挿通するとともに上記案内脚５２の排気路８ｆｆｌｌ
に位置する端部に止め輪５３をビン５４で固定し、この
止め輪５３とヘッド壁２との間にコイルばね５５を介在
させている。

そして、排気弁５１と排気弁操作部材３０とは第１図に
示すものと同様にかぎ溝２８とかぎ状の突起部３２とで
軸方向に遊びＰを持って連結されている。また、この実
施例でも、摺動抵抗材３６の摺動抵抗値がコイルばね５
５の圧縮荷重より大に設定されている。なお１図中５５
ａ、５５ｂは排気弁５１に固定されたシールリングを示
し、５６はｍｗ機構を示している。

このように構成しても、前記各実施例と同様の効果を期
待することができる。

以上の実施例は１本発明をヘリウム液化冷凍機の膨張エ
ンジンの排気系に適用した例であるが。

本発明は他の機器にも適用できる。したがって。

排気弁操作部材、つまり弁操作部材をピストン以外の可
動体によって駆動するようにしてもよい。

また１ｍ動抵抗材としてはリング状の半割構成のものに
限らず、たとえば樹脂の小片をばねリングに接着したも
のでもよい。また、弁と弁操作部材との間の連結は、軸
方向に連結する方式でありさえすれげどのような連結方
式でもよい。また弁と弁操作部材との間の遊′びＰは存
在していなくてもよい。

［発明の効果］ 以上述べたように２本発明によれば耐久性を大幅に向上
させ得る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図は同エンジンの動
作を説明するための図、第３図は同エンジンの排気系の
分解斜視図、第４図は排気弁を常時付勢する弾性体の変
形例を説明するための図、第５図は本発明の別の実施例
に係る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６図は同エンジンの動作を説明するための図。 第７図は本発明のさらに別の実施例に係る弁装置を組み
込んでなる膨張エンジンの局部的縦断面図。 第８図は従来の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図は同エンジンの動作を説明する
ための図である。 １・・・シリラダ、２・・・ヘッド型、３・・・吸気口
、４・・・吸気弁、１４・・・シリンダ、２１・・・排
気口、２３゜４３．５１・・・排気弁、２７・・・うず
巻きばね、３０゜３０ａ・・・排気弁操作部材、３６・
・・摺動抵抗材。 ４１ａ、４１ｂ・・・円弧状の板ばね、４６．５６・・
・コイルばね。 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦 第３図 第４図

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）シリンダと、このシリンダ内を往復動する可動体
   と、前記シリンダのヘッド壁に設けられた弁口と、この
   弁口に内側から上記弁口を閉塞するように当てがわれた
   弁体と、この弁体に常に前記弁口を閉じる向きの力を付
   与する弾性体と、前記弁体に対して軸方向に連結される
   とともに前記シリンダの内面に沿って摺動自在に設けら
   れ前記可動体が前記ヘッド壁から離れる方向に移動した
   ときは上記可動体が上記ヘッド壁より第１の距離移動し
   たところから上記可動体と一体に移動して前記弾性体の
   復元力に抗して前記弁口を解放させる方向に前記弁体を
   移動させ、上記可動体が上記ヘッド壁に近付く方向に移
   動したときには上記可動体が上記ヘッド壁に前記第１の
   距離より小さい第２の距離まで接近したころから上記可
   動体と一体に移動して前記弁口を閉じる方向に前記弁体
   を移動させる弁操作部材とを具備し、前記弁操作部材と
   前記シリンダ内面との間の摺動抵抗が前記弾性体の最大
   変位時の弾性荷重より大に設定されてなることを特徴と
   する弁装置。
2. （２）前記弁体と前記弁操作部材とは、軸方向に遊びを
   持って連結されていることを特徴とする特許請求の範囲
   第１項記載の弁装置。
3. （３）前記弾性体は、中心部が前記ヘッド壁に連結され
   、外周部が前記弁体に連結されたうず巻きばねであるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の弁装置。
4. （４）前記弾性体は、円弧状の板ばねを複数組み合わせ
   て構成されてなることを特徴とする特許請求の範囲第１
   項記載の弁装置。
5. （５）前記可動体は、前記シリンダ内の圧力変化で往復
   動するピストンであることを特徴とする特許請求の範囲
   第１項記載の弁装置。
6. （６）前記弁操作部材は、径方向の弾性を有したもので
   あることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の弁装
   置。