JPS6313973A - 膨張エンジンの吸気弁装置 - 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） 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１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１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８０〜２０にと極低温で、しかも熱の侵入が許されな
い。したがって、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ｍｓ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のヘッド壁３は弁座を兼用して
おり、このヘッド壁３の中央部に弁口としての吸気口４
が形成されている。ヘッド壁３の外側には、シリンダ１
より小径の吸気８５が同軸的に接続されてし）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９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
側の面をヘッド壁３の外面に向けて配置されている。そ
して、弁体７のヘッド壁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１４゜１
５の復元力によて弁体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ブツシュロッド１６によ
って後述する関係に開閉制御される。また１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ｗ１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の先端がヘッド壁３
に最も接近したとき（これを上死点とする。）、ピスト
ン２に設けられたブツシュロッド１６が板ばね１４．１
５に抗して弁体７を押す。

この結果、吸気口４が間き、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の運動方向が切換ねり、ピストン２は
下死点側へと向かう。ブツシュロッド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
ムガスはビス片ン２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。

低湿となっ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
端に設けられたブツシュロッド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、冷凍顕性能の向上化に寄
与できる。

しかしながら、上記のよう構成された吸気弁系にあって
は０次のような問題があった。すなわち。

吸気弁６を支持するとともに吸気弁６に付勢力を与えろ
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１４゜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１
２．１３とに、ねじ止めや溶接等によって完全に固定し
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１組立てに
長時間を要する問題があった。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った。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雉化する問題もあった。

（発明が解決しようとする問題点） 上述の如く、従来の弁装置にあっては、無摺動型ではあ
る反面１部品点数が多り、シかも加工。

組立てに長時間を要し量産性に乏しいと言う問題があっ
た。。

そこで本発明は、上述した不具合を解消できる弁装置を
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） 本発明は、弁体を支持するとともに上記弁体に弁口を閉
じる向きの力を常に付与するばねとして渦巻きばねを用
いるようにしている。この渦巻きばねは、始端部から終
端部に至る間の各部同志が接触しないように形成されて
いる。

（作用） 渦巻きばねの復元力に抗して弁体に弁口を開く向きの力
を加えると、渦巻きばねが変位して弁口が開く。また、
上記力の付与を停止すると弁体は弁口を閉じる。この場
合、弁体は無摺動状態で弁口を開閉する。また、渦巻き
ばねも、その構造上無摺動状態で変位する。したがって
、完全な無層初開閏が実現されることになる。また、渦
巻きばねと言っ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１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で
ある。したがって９重複する部分の詳しい説明は省略す
る。

この実施例では、ヘッド壁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２４の突設されてない側の面
をヘッド壁３の外面に向けて配置されている。そして、
弁体２３のヘッド壁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　環状の受は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
ともに弁口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っ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ッチに形成され
ている。そして、吸気−弁２２への押付は力、つまり弁
体２３を弁座であるヘッド壁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
って設定されている。

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ざ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２
６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。

したがって、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９組立ての容易化を
図れ量産性を向上できる。しかも、上記構成の渦巻ぎば
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ｔ、弁体２３の開閉動
作は勿論のこと渦巻きばね２７の伸縮動作も無活動で行
われることになる。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・で、軸方向の長さを短くできるので
２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、ブツシュロッド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、ｖＪ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２２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
あるヘッド壁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
場合であってもシールリング２５をヘッド壁３の外面に
確実に圧接させることができる。

第２図は１本発明の別の実施例に係る弁装置をヘリウム
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
示しである。

この実施例においては、吸気弁２２ａの支持軸２４を若
干長クシ、この支持軸２４の外周に鍔２９を設けている
。そして、筒部２１内にばね受は筒３１．３２を同軸的
に装着し、ばね受は筒３０と支持軸２４における弁体２
３近傍部との間およびばね受は筒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って
いる。この実施例においても、各渦巻ぎばね３２．３３
として、圧縮したとき各部が接触しない渦巻きピッチの
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２本発明のさらに別の実施例に係る弁装置をヘ
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
符号で示しである。

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、弁口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３４と密接嵌合する半球体３５を
固着し、この半球体３５の頂部にブツシュロッド１６の
先端を受は止める凹部３６を設けたものとなっている。

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。

この実流例は支持軸２４とばね受は筒３０゜３１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２本発明のさらに別の実施例に係る弁装置をヘ
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３２ａ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１本発明のざらに別の実施例に係る弁装置をヘ
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で
ある。

この実施例では、吸気弁２２ｅの弁体２３にブツシュロ
ッド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の先端にはブツシュロッド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
寸ようにしたもので、弁口４の弁体２３ｂ側に位置する
縁部をテーバ面４１に形成し、さらに、弁体２３ｂに上
記テーバ面４１と嵌合するテーバ面４２を形成したもの
となっている。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１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。

本発明は他の機器にも適用できる。したがって。

吸気弁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。

［発明の効果］ 以上述べたように１本発明によれば弁装置としての機能
を損うことなく、全体の単純化を図れ。

製作０組立ての容易化を図れ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図は本発明の別
の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図は従来の弁￥ｉｆｆ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−Ａｍに沿っ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・・・ヘッド
壁。 ４・・・吸気０．２２．２２ａ、２２ｂ、２２ｃ。 ２２ｄ、２２ｅ、２２ｆ−・・吸気弁、２３．２３ａ。 ２３ｂ・・・弁体、２４・・・支持軸、２７，３２，３
３゜３２ａ、３３ａ・・・渦巻きばね、１６．１６８・
・・ブツシュロッド。 ね。 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦 脩１　図 第２図 第３図 第５図 第７図 第８図 第９図

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）弁口を有した弁座と、この弁座に前記弁口を閉塞
   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前記弁
   体を支持するとともに上記弁体に前記弁口を閉じる向き
   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、
   この渦巻きばねに抗して前記弁口を解放させる向きに前
   記弁体を選択的に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弁装置。
2. （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項記載の弁装置。
3. （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項記載の弁装置。
4. （４）前記弁体は、前記弁口を貫通して前記弁操作機構
   から操作力を受けるをロッドを備えていることを特徴と
   する特許請求の範囲第１項記載の弁装置。
5. （５）前記弁座に設けられた弁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項記載の弁装置。
6. （６）前記弁操作機構は、前記弁口を通して流れるガス
   流によって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。