JP5914639B2 - 冷媒入り中空ポペットバルブの製造方法，冷媒入り中空ポペットバルブおよびバルブ収容治具 - Google Patents

Description

本発明は、中空部に冷媒を不活性ガスとともに封入した冷媒入り中空ポペットバルブの製造方法，冷媒入り中空ポペットバルブおよび同方法の熱処理に使用するバルブ収容治具に関する。

自動車用のエンジンでは、燃焼室内の温度が高すぎると、ノッキングが発生するおそれがある。

そこで、バルブの中空部に金属ナトリウム等の熱伝導性良好な冷媒を所定量封入することで、傘部から軸部への熱伝導効率を高めてバルブ傘部の冷却効果を向上させて、ノッキングの発生を抑制するとともに、軽量化にも有効である冷媒入り中空ポペットバルブおよび中空部への冷媒封入方法が提案（下記特許文献１）されている。

下記特許文献１には、上方に向けたバルブ軸端側の開口部から冷媒（固体または液体の金属ナトリウム）を中空部に装填した後に、開口部を適宜の手段で密閉することで、冷媒（金属ナトリウム）をバルブの中空部に封入する方法が記載されている。

また、下記特許文献２には、底面側に開口する中空部を画成する傘部外殻を軸端部に一体的に形成したシェル（バルブ本体）を熱間鍛造により形成し、上方に向けた傘部外殻の開口部に金属ナトリウム等の冷媒を挿入後、傘部外殻の開口部周縁にキャップを溶接することで、冷媒（金属ナトリウム）をバルブの中空部に封入する方法も記載されている。

即ち、冷媒入り中空ポペットバルブでは、バルブの中空部に熱伝導性良好な金属ナトリウム等の冷媒（液体、固体を問わない）を封入することで、バルブ傘部の冷却効果が上がり、燃焼室内が極端な高温になることが抑制され、ノッキングの発生が抑制されて、燃費改善に寄与する。また、中空部を設けることで、それだけバルブが軽量化されて、燃費改善に寄与する。

特開平３−１８６０５号公報（従来技術の欄、図１〜４） ＷＯ ２０１２／０２６０１１ Ａ１（段落0049〜0053、図３、４，７，８）

しかし、発明者は、従来の冷媒入り中空ポペットバルブを複数本用意し、実際に自動車のエンジンに組み付けて、バルブ傘部の冷却効果について検討したところ、バルブごとにその冷却効果に差が出る（ばらつく）という結果が得られた。

発明者が、この冷却効果がばらつく原因について検討したところ、バルブごとに中空部内における冷媒（金属ナトリウム）の装填位置が異なることが原因であることがわかった。

即ち、冷媒入り中空ポペットバルブを製造するには、特許文献１，２に示すような方法でバルブ中空部に冷媒を封入するが、その後、バルブを製造する各工程において発生した歪（例えば、キャップを溶接して開口部を密閉する際に発生した溶接歪や軸部を摩擦圧接する際に発生した歪等の残留歪）を除去するための焼鈍処理（例えば、500度〜800度で約１時間）や、バルブの表面硬度を上げるための窒化処理（例えば、500度〜600度で約３０分）等の熱処理を行うことが一般的である。

しかし、これらの熱処理は、多数量ものバルブを耐熱性（例えば、ステンレス製）の網状の籠に無造作に入れて、熱処理炉内に運び込み、籠ごと熱処理を行い、熱処理が終わると籠ごと炉から取り出すという、バッチ処理が一般的であり、炉内のバルブは、軸端部（傘部）を種々の方向に向けた様々な姿勢で５００℃以上の高温に晒されることになる。

このため、熱処理の最中に溶融した冷媒（例えば、金属ナトリウムの融点は約９８度）が自重でバルブ中空部内下方に移動し、その移動した位置で固化するため、中空部内における冷媒の装填位置が製品ごとに一定しない（ばらつく）のである。

そして、バルブの中空部に金属ナトリウム等の冷媒を封入した場合に、バルブ傘部の冷却効果が高められるメカニズムについては、次のように説明できる。

図１０（ａ）は、中空部内のバルブ傘部２ａ側に金属ナトリウム（固体）４が装填されている中空ポペットバルブ２をエンジンに組み付けた場合を示し、符号１は、シリンダヘッド、符号１ａは、燃焼室８に開口する吸気（排気）通路、符号１ｂは、吸気（排気）通路１ａの燃焼室８への開口部周縁に設けられたバルブシートである。

中空部内のバルブ傘部２ａ側に装填されている金属ナトリウム（固体）４は、エンジンの駆動により高温となった燃焼室の熱（例えば、約１０００度）が傘部２ａを介して徐々に伝達されることで、図１０（ｂ）に示すように、全て溶けて液体４ａとなる。

そして、エンジンの駆動に連係してバルブ２が上下動作する際に、図１０（ｃ）に示すように、金属ナトリウム（液体）４ａが中空部に沿って大きく上下動作することで、傘部２ａから軸部への熱伝達作用が促進されて、燃焼室８の高温化が抑制され、ノッキングの発生を抑制する上で有効である。即ち、中空部に金属ナトリウムを封入したバルブ傘部２ａの冷却効果が発揮される。

一方、図１１（ａ）は、中空部内の軸端部２ｂ側に金属ナトリウム（固体）４が装填されている中空ポペットバルブ２Ａをエンジンに組み付けた場合を示す。

中空部内の軸端部２ｂ側に装填されている金属ナトリウム（固体）４は、エンジンの駆動により高温となった燃焼室８の熱が傘部２ａを介して徐々に伝達されることで、図１１（ｂ）に示すように、熱源に近い下方部分だけが溶けて傘部２ａ側に移動する。即ち、バルブ２Ａの軸部側では、バルブガイド６を介してシリンダヘッド１に常に放熱されるため、燃焼室８に臨むバルブ傘部２ａ側ほど高温にはならず、金属ナトリウム（固体）４は固体のまま保持される。このため、中空部内は、図１１（ｂ）に示すように、気体層５を介して上方の金属ナトリウム（固体）４と下方の金属ナトリウム（液体）４ａに分離された形態となる。

そして、エンジンの駆動に連係してバルブ２Ａが上下動作する際に、図１１（ｃ）に示すように、金属ナトリウム（液体）４ａが中空部に沿って上下動作するが、金属ナトリウム（液体）４ａの量が少ない（慣性力が小さい）ため上下方向の移動量は小さく、傘部２ａから軸部への熱の伝達が促進されないばかりか、金属ナトリウム（固体）４と金属ナトリウム（液体）４ａとの間に常に存在する気体層５によって、傘部２ａから軸部側への熱の伝達が抑制されて、燃焼室８の高温化を抑制できず、ノッキングが発生するおそれがある。即ち、中空部に金属ナトリウムを封入したバルブ傘部２ａの冷却効果が発揮されない、換言すれば、冷媒入り中空ポペットバルブとしてのメリットを十分に生かすことができない。

勿論、従来の方法で製造された多数量のバルブの中には、図１０に示すように、バルブ傘部２ａ側に冷媒（金属ナトリウム）４が装填された形態であって、冷媒入り中空ポペットバルブとしてのメリットを十分に生すことができるもの（傘部の冷却効果を発揮できるもの）も存在するが、その割合は、製造されたバルブ総数の１／４にも満たない。

このように、従来の冷媒入り中空ポペットバルブの製造方法では、様々な姿勢で混在する冷媒封入バルブ本体に対して熱処理を行う限り、中空部内における冷媒の装填位置が製品ごとにばらつき、製造する冷媒入り中空ポペットバルブの品質（傘部の冷却効果）が均一にならない、という問題があった。

本発明は、前記従来技術の課題に鑑みてなされたもので、その目的は、傘部の冷却効果を確実に発揮できる冷媒入り中空ポペットバルブの製造方法，傘部の冷却効果を確実に発揮できる冷媒入り中空ポペットバルブおよび同方法の熱処理に使用するバルブ収容治具を提供することにある。

前記課題を解決するために、請求項１に係る冷媒入り中空ポペットバルブの製造方法においては、
軸端部に所定形状の傘部を一体的に形成したポペットバルブ本体内に、外部に開口し傘部から軸部にまたがる中空部を形成する中空部形成工程と、前記開口部から中空部に冷媒および不活性ガスを装填する冷媒装填工程と、前記開口部を別部材で密閉する開口部密閉工程と、中空部に不活性ガスとともに冷媒を封入した前記バルブ本体を熱処理炉内で熱処理する熱処理工程とを備えた冷媒入り中空ポペットバルブの製造方法であって、
前記熱処理工程では、多数本のバルブ本体を治具に収容して熱処理炉に搬入して該治具ごと熱処理するが、
バルブ傘部を上向きにして前記治具にバルブ本体を収容し、該治具をバルブ本体と一体に上下逆様に反転して熱処理炉に搬入し、
バルブ傘部を下に向けた形態でバルブ本体を熱処理するように構成した。

また、請求項１に記載の製造方法によって製造された冷媒入り中空ポペットバルブは、バルブ本体の中空部内のバルブ傘部側に冷媒が装填されるように構成した。

（作用）熱処理炉内において、中空部に不活性ガスとともに冷媒を封入したバルブ本体は傘部を下に向けた形態で熱処理（例えば、５００〜６００度の窒化処理や、５００〜８００度の焼鈍処理）されるので、熱処理の最中に溶融（例えば、金属ナトリウムの融点は約９８度）した冷媒は、自重で中空部内下方の傘部側に移動し、冷える（融点以下となる）とその移動した位置で固化する。このため、熱処理の施されたバルブ本体では、中空部内における冷媒の装填位置が必ず中空部内の傘部側となる。

そして、中空部内のバルブ傘部側に冷媒として例えば金属ナトリウムが装填されている中空ポペットバルブでは、金属ナトリウム（固体）は、エンジンの駆動により高温となった燃焼室の熱（例えば、約１０００度）が傘部を介して徐々に伝達されることで、全て溶けて液体となる。そして、エンジンの駆動に連係してバルブが上下動作する際に、金属ナトリウム（液体）のほぼ全体が中空部に沿って大きく上下動作することで、傘部→軸部→バルブガイド→シリンダヘッドへの熱伝達作用が促進されて、燃焼室の高温化が抑制され、ノッキングの発生を抑制する上で有効である。即ち、バルブ傘部の冷却効果が確実に発揮される。

中空部に封入する冷媒としては、熱伝導性に優れ、バルブの素材よりも比重が小さく、エンジンの燃焼室の熱が伝達されることで溶融し液体となる融点をもつ、金属ナトリウム、金属カリウム等が考えられる。

また、中空部に封入する冷媒の装填量（体積）としては、中空部の容積の３０〜７０％が望ましい。即ち、冷媒の装填量が３０％未満では、バルブ傘部の冷却効果が低下し、逆に７０％を超えると、冷却効果は幾分上がるものの、７０％未満と比べて格段に上がるものではない。

また、金属ナトリウム等の冷媒が酸化すると、冷媒の熱伝導性が低下し、バルブ傘部の冷却効果が上がらないので、中空部内には、空気ではなく、アルゴン，窒素等の不活性ガスを冷媒とともに封入することが望ましい。即ち、中空部内に冷媒とともに不活性ガスが封入されることで、酸化による冷媒の熱伝導性の低下が抑制される。

なお、熱処理炉内において、中空部に不活性ガスとともに冷媒を封入したバルブ本体を傘部が下を向いた形態に保持するには、例えば、請求項３、４に記載の箱型の耐熱性バルブ収容治具を使用する。詳しくは、多数量のバルブ本体をそれぞれの傘部が上を向いた形態に治具に収容し、該治具を上下逆様に反転して治具内のバルブ本体も上下逆様（傘部が下を向いた形態）にしてから熱処理炉内に搬入し、治具ごと熱処理を行う。

即ち、請求項２においては、請求項１に記載の熱処理工程に使用される箱型の耐熱性バルブ収容治具であって、
該治具は、軸部挿通用の孔が多数設けられ、該孔の周縁部がバルブ本体の傘部（首部）を担持して該バルブ本体を懸吊支持する水平支持枠と、前記バルブ本体の傘部を被うように前記水平支持枠上に開閉自在に配設された蓋とを備え、
バルブ本体を収容した治具を上下逆様に反転すると、バルブ本体が治具と一体に上下逆様に反転するように構成した。

（作用）それぞれの傘部が上を向くように多数量のバルブ本体を治具に収容して蓋を閉じた後、治具を上下逆様に反転すれば、治具に収容されている全てのバルブ本体も上下逆様に反転して、それぞれの傘部が下を向く形態となる。

詳しくは、蓋を開けて、治具（の水平支持枠）上方を開放しておき、バルブ本体を軸端部側から水平支持枠の軸部挿通用の孔に挿通すると、バルブ本体の傘部（首部）が水平支持枠（軸部挿通用の孔周縁部）に担持されて、バルブ本体が水平支持枠（軸部挿通用の孔周縁部）に懸吊支持される。そして、バルブ本体の傘部を被うように蓋を閉めた後、治具を上下逆様に反転すると、反転動作に伴ってバルブ本体は自重で水平支持枠（の軸部挿通用の孔）から逸脱する方向に移動しようとする。しかし、傘部が蓋に当たってバルブ本体の移動が抑制されるので、全てのバルブ本体は蓋と水平支持枠に支持された形態のまま治具と一体に上下逆様に反転し、下を向いたバルブ本体の傘部底面が蓋に担持されるとともに、上を向いたバルブ本体の軸部が水平支持枠（軸部挿通用の孔）に略垂直に支持された形態となる。

したがって、多数量のバルブ本体を収容した治具を上下逆様に反転してから、熱処炉内に搬入すれば、熱処理炉内における全てのバルブ本体は、治具によって傘部が下を向く形態に保持される。そして、治具ごとバルブ本体を熱処理することで、一度に多数量のバルブ本体を傘部が下を向いた形態で熱処理することができる。

また、請求項３においては、請求項２に記載のバルブ収容治具において、
前記水平支持枠を、前記バルブ本体の軸径に略対応する大きさの碁盤目状格子孔が設けられた少なくとも上下二段の第１の格子状水平支持枠で構成し、
前記蓋を、上下逆様に反転したバルブ本体の傘部底面を担持する第２の格子状水平支持枠で構成した。

（作用）最上段の第１の格子状水平支持枠（の格子孔）に懸吊されたバルブ本体は、その軸部が下段の第１の格子状水平支持枠（の格子孔）によって支持され、また、上下逆様に反転した形態のバルブ本体は、傘部底面が蓋に担持されるとともに、軸部が軸方向に離間する少なくとも二箇所の格子状水平支持枠（の格子孔）によって支持されるため、バルブ本体はほぼ垂直に近い状態に保持されて、隣接するバルブ本体の軸部どうしの干渉が回避される。

また、上下逆様にされたバルブ本体の傘部底面を担持する蓋が格子状に構成されているので、傘部底面も熱処理炉内の雰囲気に直接晒される。

以上の説明から明らかなように、本発明に係る冷媒入り中空ポペットバルブの製造方法によれば、製造された全てのバルブにおいて中空部内の冷媒装填位置が傘部側の一定位置となるので、バルブ傘部における一定の冷却効果を長期間にわたり発揮できる冷媒入り中空ポペットバルブを歩留まりよく製造することができる。

また、請求項１に係る製造方法で製造された冷媒入り中空ポペットバルブによれば、バルブ傘部の冷却効果が確実にしかも長期間にわたって発揮されるので、ノッキングの発生を長期間にわたって抑制する上で有効となる。

請求項２に係るバルブ収容治具によれば、多数量のバルブ本体を傘部が下を向く形態にして熱処理炉内に簡単に搬入でき、治具ごと熱処理を行い、熱処理終了後は、多数量のバルブ本体を治具ごと炉外に簡単に搬出できるので、一度に多数量のバルブ本体の熱処理が可能となって、傘部の冷却効果が確実に発揮される冷媒入り中空ポペットバルブの生産効率が上がる。

請求項３に係るバルブ収容治具よれば、隣接するバルブ本体の軸部どうしが接触しにくい分、バルブ本体をより接近させて治具に収容することで、それだけ多数量のバルブ本体の熱処理が可能となって、傘部の冷却効果が確実に発揮される冷媒入り中空ポペットバルブの生産効率がいっそう上がる。

また、傘部底面を含む傘部の表面全体が熱処理炉内の雰囲気に晒されて、バルブ本体全体を均一に熱処理できるので、製造されたバルブ全製品について一定の品質を確保できる。

本発明の第１の実施例方法によって製造された冷媒入り中空ポペットバルブの縦断面図である。 冷媒入り中空ポペットバルブを製造する工程を説明する図で、（ａ）は中空部形成工程、（ｂ）は冷媒装填工程、（ｃ）は開口部密閉工程、（ｄ）は第１の熱処理工程、（ｅ）は第２の熱処理工程を示す図である。 熱処理工程に用いるバルブ収容治具を示す図で、（ａ）は上面側から見た治具の分解斜視図、（ｂ）は底面側から見た治具の斜視図、（ｃ）はバルブ本体を収容した治具の要部拡大縦断面図である。 バルブを治具に収容して熱処理炉に搬入する様子を説明する説明図で、（ａ）はバルブを収容した治具の斜視図、（ｂ）は蓋を閉じた状態の治具の斜視図、（ｃ）は逆様にした状態の治具の斜視図、熱処理炉に搬入した状態の治具の斜視図である。 熱処理の最中のバルブ本体の縦断面図である。 金属ナトリウム（液体）がエンジンの駆動に伴って中空部内を上下動する様子を説明する図である。 本発明の第２の実施例方法によって製造された内燃機関用の冷媒入り中空ポペットバルブの縦断面図である。 冷媒入り中空ポペットバルブを製造する工程を説明する図で、（ａ）は中空部形成工程、（ｂ）は冷媒装填工程、（ｃ）は開口部密閉工程（軸接工程）、（ｄ）は第１の熱処理工程、（ｅ）は第２の熱処理工程を示す図である。 熱処理の最中のバルブ本体の縦断面図である。 従来の製造方法により製造された冷媒入り中空ポペットバルブの冷媒（中空部の傘部側に装填されている冷媒）がエンジンの駆動に伴って中空部内を上下動する様子を説明する図である。 従来の製造方法により製造された冷媒入り中空ポペットバルブの冷媒（中空部の軸端部側に装填されている冷媒）がエンジンの駆動に伴って中空部内を上下動する様子を説明する図である。

次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて説明する。

本発明の第１の実施例方法によって製造された冷媒入り中空ポペットバルブの縦断面図である図１において、符号１０は、真っ直ぐに延びる軸部１２の一端側に、径が徐々に大きくなるＲ形状の首部１３を介して、テーパ形状のフェース部１６が形成された傘部１４が一体的に形成された耐熱合金（SUH1、SUH3、SUH11、SUH35、NCF751等）製の冷媒入り中空ポペットバルブである。符号１７は、軸端部外周に設けられたコッタ溝である。

また、バルブ１０の内部には、傘部１４から軸部１２にまたがる中空部Ｓが設けられ、該中空部Ｓには、冷媒である金属ナトリウム２０が不活性ガス（例えば、アルゴンガス）２２とともに封入されている。特に、中空部Ｓの傘部１４側に金属ナトリウム２０が装填されて、中空部Ｓの軸部１２側には不活性ガス２２が装填された構造になっている。

詳しくは、バルブ本体１１の傘部１４の底面１４ａ側には、軸部１２内の円柱状中空部Ｓ１に連通する径の大きい円錐台状中空部Ｓ２が設けられ、傘部１４の中空部Ｓ２における開口部に、バルブ本体１１と同素材で構成した円盤状キャップ１８が溶接されて、中空部Ｓに金属ナトリウム２０および不活性ガス２２が封入されている。

特に、中空部Ｓに金属ナトリウム２０および不活性ガス２２を封入したバルブ本体１１は、後述するバルブ製造工程の中の熱処理工程（図２（ｄ），（ｅ）参照）において、その傘部１４が下向き(軸部１２が上向き)となる形態で熱処理されることで、中空部Ｓに封入されている金属ナトリウム２０が中空部Ｓ内の傘部１４側に確実に装填された構造となるので、バルブ１０は、バルブ傘部１４における冷却効果を確実に発揮できる。

また、中空部Ｓ内に金属ナトリウム２０とともに封入されている不活性ガスは、バルブ１０の総重量を軽減するべく作用するとともに、金属ナトリウム２０の酸化を抑制して、冷媒である金属ナトリウム２０の熱伝導性が低下することを抑制するので、バルブ傘部１４の冷却効果が確実にしかも長期間にわたって発揮される。

なお、冷媒である金属ナトリウム２０の中空部Ｓの容積に対する装填量は、３０〜７０％の体積比が望ましい。金属ナトリウム２０の装填量が３０％未満では、バルブ傘部１４の冷却効果が低下し、逆に７０％を超えると、冷却効果が幾分上がるものの、７０％未満と比べて格段に上がるものではない。

次に、図２に基づいて、冷媒入り中空ポペットバルブ１０を製造する工程を説明する。

先ず、（ａ）に示す中空部形成工程（例えば、熱間鍛造とドリル加工）により、軸部１２の一端側に一体的に形成した傘部１４の底面１４ａ側に中空部Ｓ１を画成する窪み部１５が形成されたバルブ本体Ｗ１であって、窪み部１５（中空部Ｓ１）に連通する中空部Ｓ２が軸部１２に形成されたバルブ本体Ｗ１を形成する。

次いで、（ｂ）に示す冷媒装填工程により、不活性ガス雰囲気下で、傘部１４が上を向くようにバルブ本体Ｗ１を保持し、窪み部１５（中空部Ｓ１の開口部）から所定量の金属ナトリウム（固体）２０を中空部Ｓ内に挿入する。中空部Ｓ内に金属ナトリウム（固体）２０を挿入することで、中空部Ｓ内には、金属ナトリウム（固体）２０および不活性ガスが装填された状態となる。

なお、挿入する金属ナトリウム（固体）２０は、ナトリウムの棒材（粘土状）を所定長さに切断したもので、金属ナトリウム（固体）２０のほとんどが中空部Ｓ２に押し込まれ、その一部が中空部Ｓ１に突出する形態となる。

次いで、（ｃ）に示す開口部密閉工程により、不活性ガス雰囲気下で、キャップ１８を窪み部１５（中空部Ｓ１）の開口部に溶接（例えば、抵抗溶接、電子ビーム溶接、レーザ溶接など）して、中空部Ｓ内に金属ナトリウム（固体）２０および不活性ガス２２を封入する。即ち、中空部Ｓ内に金属ナトリウム（固体）２０および不活性ガス２２を封入したバルブ本体Ｗ２が出来上がる。この開口部密閉工程を経た段階では、金属ナトリウム（固体）２０は、中空部Ｓ内の軸部１２側に装填された形態となっている。

その後、（ｄ）に示す第１の熱処理工程により、バルブ本体Ｗ２に焼鈍処理（例えば、500度〜800度で約１時間）を施すことで、（ｃ）に示す開口部密閉工程で発生し主に傘部１４に残留している溶接歪（残留歪）を除去する。

さらに、（ｅ）に示す第２の熱処理工程により、バルブ本体Ｗ２に窒化処理（例えば、500度〜600度で約３０分）を施すことで、バルブ本体Ｗ２の表面硬度を高める。

特に、第１，第２の熱処理工程のいずれの工程においても、多数量のバルブ本体Ｗ２を、図３に示す耐熱性の箱型バルブ収容治具３０にその傘部１４を上向きにして収容し、治具３０を上下逆様に反転することで、治具３０内のバルブ本体Ｗ２を傘部１４が下向き(軸部１２が上向き)となる形態にしてから熱処理炉４０（図４（ｄ）参照）に搬入し、治具３０ごと熱処理を行い、熱処理終了後は、治具３０ごと炉４０外に搬出するので、バルブ本体Ｗ２が第１の熱処理工程を経ることで、あるいは第２の熱処理工程を経ることで、中空部Ｓ内の金属ナトリウム（固体）２０は、図１に示すように、中空部Ｓ内の傘部１４側に確実に装填された形態となる。

次に、図３〜５を参照して、熱処理工程に用いる治具３０について詳しく説明する。

治具３０は、例えば、耐熱性に優れた素材であるステンレスで構成され、矩形状の上下三段の格子状水平支持枠３１，３２，３３の四隅が縦支柱３４でそれぞれ連結一体化された矩形状枠体構造で、格子状水平支持枠３１，３２，３３には、バルブ本体Ｗ２の軸径に略対応する大きさの碁盤目状格子孔３１ａ，３２ａ，３３ａが設けられている。

また、三段の支持枠３１，３２，３３のうち、少なくとも上段支持枠３１と中段支持枠３２の碁盤目状格子孔３１ａ，３２ａが上下方向に対応するように設けられて、バルブ本体Ｗ２をがたつかないように略垂直に懸吊支持できるように構成されている。即ち、後で詳しく説明するが、治具３０の上方から、バルブ本体Ｗ２を軸部１２側から支持枠３１の格子孔３１ａに挿入すれば、軸部１２は格子孔３１ａに対応する下方の支持枠３２の格子孔３２ａに挿通されて、図３（ｃ）に示すように、バルブ本体Ｗ２の傘部１４（首部１３）が格子孔３１ａ周縁部に担持されるとともに、軸部１２が格子孔３２ａに支持された形態となる。

また、治具３０の上面側には、碁盤目状格子孔３５ａが設けられた蓋である格子状水平支持枠３５が、ステンレス製ワイヤー３７による結束手段によって着脱自在に取着されている。

また、格子状水平支持枠３１の四隅には、スペーサ部材３６が一体化されて、格子状水平支持枠３１と格子状水平支持枠３５との間隔が所定の距離に設定されている。即ち、蓋である格子状水平支持枠３５を閉じた（取着した）ときに、支持枠３１（の格子孔３１ａ）に懸吊支持されたバルブ本体Ｗ２の傘部１４と、蓋である格子状水平支持枠３５が所定距離ｔだけ離間（図３（ｃ）参照）して、傘部１４を傷つけないように構成されている。

符号３８は、治具３０（の最下段の水平支持枠３３）に設けた一対の取手で、治具３０を上下反転させたり、搬送したりする際に、作業者が取手３８を掴むことで作業がし易くなる。

また、治具３０を上下逆様に反転させた状態では、図５に拡大して示すように、治具３０内のバルブ本体Ｗ２は、その傘部１４（の底面１４ａ）が蓋（水平支持枠３５）に担持されるとともに、その軸部１２の長手方向２箇所が格子孔３１ａ，３２ａに支持されて、ほぼ垂直に保持される。

さらに、図３（ｃ）に示すように、治具３０に収容されたバルブ本体Ｗ２の傘部１４と蓋（水平支持枠３５）との隙間ｔは僅かで、治具３０を反転させる際のバルブ本体Ｗ２は、揺動することなく、傘部１４と蓋（水平支持枠３５）との隙間ｔ相当だけ軸方向に移動するに過ぎない。

即ち、治具３０に収容されたバルブ本体Ｗ２は、治具３０に収容する際は勿論、治具３０を反転させる際、さらには反転した治具３０を搬送する際のいずれの場合も、大きく揺動したり移動しないように水平支持枠３１，３２に支持されており、バルブ本体Ｗ２同士を接近させて治具３０に収容したとしても、バルブ本体Ｗ２同士が干渉しないので、それだけ沢山の本数のバルブ本体Ｗ２を治具３０に収容することで、一度に多数量のバルブ本体Ｗ２の熱処理が可能となる。

次に、耐熱性箱型治具３０を使って、バルブ本体Ｗ２に図２（ｄ）に示す第１の熱処理を施す手順を、図４を参照して説明する。

先ず、治具３０の蓋（水平支持枠３５）を開け（取り外し）て、治具３０（の水平支持枠３１）上方を開放し、図４（ａ）に示すように、治具３０（の水平支持枠３１）の上方からバルブ本体Ｗ２をその軸部１２から水平支持枠３１，３２の格子孔３１ａ，３２ａに挿通することで、バルブ本体Ｗ２を水平支持枠３１に懸吊支持させる。

そして、図４（ｂ）に示すように、蓋（水平支持枠３５）をスペーサ部材３６に載せ、ステンレスワイヤ３７によって水平支持枠３１に取着一体化する（蓋を閉じる）。

次に、取手３８をもって治具３０を上下逆様に反転すると、治具３０と一体に上下逆様に反転したバルブ本体Ｗ２は、図４（ｃ），図５に示すように、下を向いたその傘部１４（の底面１４ａ）が蓋（水平支持枠３５）に担持されるとともに、上方に延出するその軸部１２が水平支持枠３１，３２（の孔３１ａ，３２ａ）によって略垂直に支持された形態となる。

即ち、治具３０の反転動作に伴って、バルブ本体Ｗ２（の軸部１２）は自重で格子孔３１ａ，３２ａから逸脱する方向に移動しようとする。しかし、傘部１４が蓋（水平支持枠３５）に当たってバルブ本体Ｗ２の格子孔３１ａ，３２ａに沿った軸方向の移動が阻止されるので、バルブ本体Ｗ２は水平支持枠３１，３２（の格子孔３１ａ，３２ａ）に支持された形態のまま治具３０と一体に上下逆様に反転し、傘部１４を下にした形態に保持される。

そして、取手３８をもって、上下反転させた治具３０を熱処理炉４０内に搬入（図４（ｄ）参照）し、熱処理を施す。

そして、治具３０は、図５に示すように、熱処理炉４０内の載置台４２に載置された状態で、熱処理が施されるが、治具３０内のバルブ本体Ｗ２は、傘部１４（の底面１４ａ）が蓋（水平支持枠３５）に担持され、軸部１２が上下方向に対応する一対の格子孔３１ａ，３２ａに支持されて、ほぼ垂直に保持された形態で、しかも互いにほぼ等間隔に配置されているので、全てのバルブ本体Ｗ２に対し均一な熱処理を施すことができる。

また、バルブ本体Ｗ２の傘部１４（の底面１４ａ）を担持する蓋（水平支持枠３５）が格子状に構成されているので、傘部１４の底面１４ａも熱処理炉４０内の高温雰囲気に直接晒されることとなって、バルブ本体Ｗ２全体を均一に熱処理できる。

図５は、図２（ｄ）に示す第１の熱処理工程の際に、軸部１２の中空部Ｓ１に主に装填されている金属ナトリウム（固体）２０が、徐々に溶融して中空部Ｓ内を傘部１４側（の中空部Ｓ２）に移動する様子を説明する図である。

治具３０に収容されて熱処理炉４０に搬入されたバルブ本体Ｗ２は、図２（ｄ）に示すように、中空部Ｓ内の金属ナトリウム（固体）２０が主に中空部Ｓ１に装填された形態となっている。

そして、熱処理（焼鈍処理）が開始されて炉４０内の温度が融点（約９８度）を超えると、中空部Ｓ１内に装填されている金属ナトリウム（固体）２０が徐々に溶融し、図５矢印に示すように、液体となった金属ナトリウム２０ａが自重で中空部Ｓの内周面に沿って下方の傘部１４側（の中空部Ｓ２）に移動し、金属ナトリウム（固体）２０の全てが液体２０ａとなって中空部Ｓ２（中空部Ｓ内の傘部１４側）に溜まった形態となる。

その後、熱処理が終了し炉４０内の温度が融点（約９８度）以下となると、金属ナトリウム（液体）２０ａは、その移動した位置である中空部Ｓ２（中空部Ｓ内の傘部１４側）で固化する。このため、第１の熱処理の施された全てのバルブ本体Ｗ２では、中空部Ｓ内における金属ナトリウム（固体）２０の位置が中空部Ｓ内の傘部側１４となる。即ち、第１の熱処理が終了した全てのバルブ本体Ｗ２は、中空部Ｓ内の傘部１４側に金属ナトリウム（固体）２０が装填された構造（図１参照）となる。

なお、図２（ｄ）に示す第１の熱処理工程が終了すると、熱処理炉４０から治具３０を搬出し、バルブ本体Ｗ２を治具３０から取り出して、コッタ溝１７の形成等の所定の加工をバルブ本体Ｗ２に施す。

そして、再び、図４に示す手順で、バルブ本体Ｗ２を治具３０に収容し、該治具３０を上下逆様に反転してバルブ本体Ｗ２を上下逆様にして、図２（ｅ）に示す第２の熱処理（窒化処理）のための熱処理炉に搬入して、熱処理（窒化処理）を施す。

第２の熱処理（窒化処理）のための熱処理炉内において、治具３０に収容されているバルブ本体１０は、その傘部１４を下に向けた形態に保持されているが、金属ナトリウム（固体）２０は、中空部Ｓ内下方の傘部１４側に装填されている。このため、熱処理の際に金属ナトリウム（固体）２０は再び溶融するものの、中空部Ｓ内を移動できず、中空部Ｓ内下方の傘部１４側に留まる。熱処理が終了し炉内の温度が融点以下になると、中空部Ｓ内の傘部１４側で固化する。即ち、第２の熱処理が施された全てのバルブ本体Ｗ２では、第１の熱処理が施された全てのバルブ本体Ｗ２と同様、中空部Ｓ内の傘部１４側に金属ナトリウム（固体）２０が装填された構造（図１参照）となる。

図６は、図１に示す中空ポペットバルブ１０がエンジンの駆動に伴って上下動する際に、金属ナトリウム（液体）２０ａが中空部Ｓ内を上下動する様子を説明する図である。

図６（ａ）は、中空ポペットバルブ１０をエンジンに組み付けた状態を示すが、中空部内のバルブ傘部１４側に装填されている金属ナトリウム（固体）２０は、エンジンの駆動により高温となった燃焼室８の熱（例えば、約１０００度）が傘部１４を介して徐々に伝達されることで、図６（ｂ）に示すように、全て溶けて液体２０ａとなる。

そして、エンジンの駆動に連係してバルブ１０が上下動作する際に、図６（ｃ）に示すように、金属ナトリウム（液体）２０ａのほとんどが中空部に沿って大きく上下動作することで、傘部１４→軸部１２（→バルブガイド６→シリンダヘッド１）への熱伝達作用が促進されて、燃焼室８の高温化が抑制され、ノッキングの発生を抑制する上で有効である。即ち、中空部Ｓに金属ナトリウム（固体）２０を封入したバルブ１０の傘部１４の冷却効果が確実に発揮される。

図７は、本発明の第２の実施例方法によって製造された内燃機関用の冷媒入り中空ポペットバルブを示す。

この第２の実施例方法で製造された中空ポペットバルブ１０Ａは、前記した第１の実施例方法で製造された中空ポペットバルブ１０（図１）と外観が同一であるので、同一の部分については同一の符号を付すことで、その重複した説明を省略する。

また、バルブ１０Ａの内部には、傘部１４から軸部１２にまたがる、軸部１２に沿って延びる円柱状の中空部Ｓ’が設けられ、中空部Ｓ’には、冷媒である金属ナトリウム２０が不活性ガス２２とともに封入されている。特に、中空部Ｓ’の傘部１４側に金属ナトリウム（固体）２０が装填されて、中空部Ｓ’の軸部１２側には不活性ガス２２が装填された構造になっている。

特に、後述するバルブ製造工程の中の熱処理（焼鈍処理，窒化処理）工程（図８（ｄ），（ｅ）参照）において、中空部Ｓ’に金属ナトリウム２０および不活性ガス２２を封入したバルブ本体Ｗ２’を、その傘部１４が下向き(軸部１２が上向き)となる形態で熱処理することで、熱処理後のバルブ本体Ｗ２’は、図７に示すように、中空部Ｓ’内の金属ナトリウム２０が傘部１４側に確実に装填された構造となるので、バルブ１０Ａは、バルブ傘部１４における冷却効果を確実に発揮できる。

なお、この中空ポペットバルブ１０Ａは、前記した図１に示す中空ポペットバルブ１０と、以下の点で相違している。

第１には、バルブ１０では、傘部１４内に円錐台形状の中空部Ｓ２が設けられているのに対し、バルブ１０Ａでは、軸部１２内の円柱状の中空部Ｓ’がそのまま傘部１４内にも延在している。

第２には、バルブ１０では、バルブ本体Ｗ１（Ｗ２）の軸部１２がバルブ１０の軸部１２として構成されているが、バルブ１０Ａでは、バルブ本体Ｗ１’の軸部１２ａに軸端部Ｗ１”が摩擦圧接により接合一体化されて、バルブ本体Ｗ２（バルブ１０Ａ）の軸部１２を構成している。即ち、バルブ１０Ａの製造工程（図８参照）がバルブ１０の製造工程（図２参照）と一部相違している。

次に、図８に基づいて、冷媒入り中空ポペットバルブ１０Ａを製造する工程を説明する。

先ず、（ａ）に示す中空部形成工程（例えば、熱間鍛造とドリル加工）により、軸部１２ａの一端側に傘部１４を一体的に形成したバルブ本体であって、軸部１２ａに中空部Ｓ’が形成されたバルブ本体Ｗ１’を形成する。

そして、（ｂ）に示す冷媒装填工程により、不活性ガス雰囲気下で、軸部１２ａが上向きとなるようにバルブ本体Ｗ１’を保持し、所定量の金属ナトリウム（固体）２０を中空部Ｓ’内に挿入することで、中空部Ｓ’内に金属ナトリウム（固体）２０および不活性ガスが装填された状態となる。

そして、バルブ本体Ｗ１’よりも機械的強度に優れた素材で構成された丸棒材を所定の長さに切断することで得られた軸端部Ｗ１”を、（ｃ）に示す軸接工程（開口部密閉工程）により、不活性ガス雰囲気下で、バルブ本体Ｗ１’の軸部１２ａに接合して、中空部Ｓ’内に金属ナトリウム（固体）２０および不活性ガス２２を封入する。即ち、中空部Ｓ’内に金属ナトリウム（固体）２０および不活性ガス２２を封入したバルブ本体Ｗ２’が出来上がる。この（ｃ）に示す軸接工程（開口部密閉工程）を経た段階で、金属ナトリウム（固体）２０は、中空部Ｓ’内の傘部１４側に装填された形態となっている。

その後、（ｄ）に示す第１の熱処理工程により、バルブ本体Ｗ２’に焼鈍処理（例えば、500度〜800度で約１時間）を施すことで、（ｃ）に示す軸接工程（開口部密閉工程）で発生し主に軸部１２に残留している歪を除去する。

そして、第１の熱処理を施したバルブ本体Ｗ２’には、コッタ溝１７の形成等の所定の加工を施した後、（ｅ）に示す第２の熱処理工程により、バルブ本体Ｗ２’に窒化処理（例えば、500度〜600度で約３０分）を施すことで、バルブ本体Ｗ２’の表面硬度を高める。

この（ｄ），（ｅ）に示す第１，第２の熱処理工程では、前記した第１の実施例方法において使用したバルブ収容治具３０と同じ治具を使用する。即ち、多数量のバルブ本体Ｗ２’を、図３に示す耐熱性の箱型バルブ収容治具３０にその傘部１４を上向きにして収容し、治具３０を上下逆様に反転することで、治具３０内のバルブ本体Ｗ２’を傘部１４が下向き(軸部１２が上向き)となる形態にしてから熱処理炉４０（図４（ｄ）参照）に搬入し、治具３０ごと熱処理を行い、熱処理終了後は、治具３０ごと炉４０外に搬出する。バルブ本体Ｗ２’は、第１の熱処理工程を経ることで、あるいは第２の熱処理工程を経ることで、中空部Ｓ’内の金属ナトリウム（固体）２０は、図７に示すように、中空部Ｓ’内の傘部１４側に確実に装填された形態となる。

図９は、図８（ｄ）に示す第１の熱処理工程の際に、中空部Ｓ’内の傘部１４側に装填されている金属ナトリウム（固体）２０が溶融する様子を説明する図である。

治具３０に収容されて熱処理炉４０に搬入されたバルブ本体Ｗ２’は、図９に示すように、傘部１４を下に向けた形態に保持されているが、中空部Ｓ’内の金属ナトリウム（固体）２０は、中空部Ｓ’内下方の傘部１４側に装填された形態（図８（ｃ）参照）となっている。

このため、熱処理の際に融点以上となった金属ナトリウム（固体）２０は溶融して液体２０ａとなるが、中空部Ｓ’内を移動できず、中空部Ｓ’内下方の傘部１４側に留まる。そして熱処理が終了し炉４０内の温度が融点以下になると、中空部Ｓ’内の傘部１４側で固化する。即ち、第１の熱処理が施された全てのバルブ本体Ｗ２’は、中空部Ｓ’内の傘部１４側に金属ナトリウム（固体）２０が装填された構造（図７参照）となる。

第２の熱処理においても、中空部Ｓ’内の金属ナトリウム（固体）２０が液体２０ａとなるものの、中空部Ｓ’内下方の傘部１４側に留まることは、第１の熱処理工程の場合と同様である。即ち、第２の熱処理が施された全てのバルブ本体Ｗ２’についても、中空部Ｓ’内の傘部１４側に金属ナトリウム（固体）２０が装填された構造（図７参照）となる。

この中空ポペットバルブ１０Ａがエンジンの駆動に伴って上下動する際に、中空部Ｓ’の傘部１４側に装填されている金属ナトリウム（固体）２０は、燃焼室（図６の符号８参照）の熱が伝達されることで全て液体となるとともに、金属ナトリウム（液体）が中空部Ｓ’に沿って大きく上下動作することで、傘部１４から軸部１２（→バルブガイド→シリンダヘッド）への熱伝達作用が促進されて、燃焼室８の高温化が抑制されて、ノッキングの発生の抑制に有効である。即ち、中空ポペットバルブ１０Ａの傘部１４の冷却効果については、図１０（ａ），（ｂ），（ｃ）に基づいた中空ポペットバルブ２の傘部２ａの冷却効果についての説明と実質的に同一であるので、その重複した説明は省略する。

なお、前記したバルブ収容治具３０では、蓋である格子状水平支持枠３５がステンレス製ワイヤーによる結束手段によって格子状水平支持枠３１に着脱自在に取着されているが、蓋である格子状水平支持枠３５の治具３０に対する着脱手段としては、ねじ締結その他の着脱容易な公知の固定手段であってもよい。

さらに、蓋である格子状水平支持枠３５の側縁部を例えば蝶番（ヒンジ）を介して格子状水平支持枠３１の対応する側縁部に連結して、蓋（格子状水平支持枠３５）を蝶番（ヒンジ）回りに揺動させることで、支持枠３１の上方を開閉できるように構成してもよい。

また、前記した治具３０では、格子状水平支持枠３１に被せるように設ける蓋が格子状水平支持枠３５で構成されているが、この蓋は必ずしも格子状に構成する必要はないが、格子状に構成することは、傘部１４の底面１４ａも熱処理炉４０内の高温雰囲気に直接晒すことができるという点と、治具３０の総重量を軽減できるという点で、望ましい。

また、前記した第１，第２の実施例方法における冷媒装填工程（図２（ｃ），図８（ｃ）参照）では、冷媒である金属ナトリウム（固体）２０を中空部Ｓ（Ｓ’）内に挿入しているが、先行特許文献１に示すように、金属ナトリウム（固体）を融点以上の温度に加熱して液体にすることで、中空部Ｓ（Ｓ’）内に注入するようにしてもよい。

また、前記した実施例方法では、多数量のバルブ本体Ｗ２（Ｗ２’）を収容したバルブ収容治具３０を上下逆様に反転して熱処理炉４０内に搬入し、治具３０ごと熱処理を行った後に、炉４０外に搬出するというバッチ式の熱処理工程について説明したが、例えば、熱処理炉内を横切るように敷設した搬送コンベアに、多数量のバルブ本体を収容したバルブ収容治具３０を上下逆様に反転して載置し、搬送コンベアに載置された治具３０（傘部を下に向けたバルブ本体）が熱処理炉内を所定時間（例えば１時間）かけて通過するようにして熱処理を行う移送式の熱処理工程であってもよい。

さらに、熱処理工程は、バルブ収容治具３０を用いることなく、多数量のバルブ本体をそれぞれの傘部が下を向くように搬送コンベアに直接載置して、移送式で熱処理する工程であってもよい。

Ｗ２，Ｗ２’ バルブ本体
Ｓ（Ｓ１，Ｓ２），Ｓ’ 中空部
１０、１０Ａ 冷媒入り中空ポペットバルブ
１２ 軸部
１４ 傘部
２０ 冷媒である金属ナトリウム（固体）
２０ 冷媒である金属ナトリウム（液体）
３０ 治具
３１，３２，３３ 格子状水平支持枠
３１ａ，３２ａ，３３ａ，３５ａ 碁盤目状格子孔
３５ 蓋である格子状水平支持枠
３６ スペーサ部材
４０ 熱処理炉

Claims (3)

1. 軸端部に所定形状の傘部を一体的に形成したポペットバルブ本体内に、外部に開口し傘部から軸部にまたがる中空部を形成する中空部形成工程と、前記開口部から中空部に冷媒および不活性ガスを装填する冷媒装填工程と、前記開口部を別部材で密閉する開口部密閉工程と、中空部に不活性ガスとともに冷媒を封入した前記バルブ本体を熱処理炉内で熱処理する熱処理工程とを備えた冷媒入り中空ポペットバルブの製造方法であって、
   前記熱処理工程では、多数本のバルブ本体を治具に収容して熱処理炉に搬入して該治具ごと熱処理するが、
   バルブ傘部を上向きにして前記治具にバルブ本体を収容し、該治具をバルブ本体と一体に上下逆様に反転して熱処理炉に搬入し、
   バルブ傘部を下に向けた形態でバルブ本体を熱処理することを特徴とする冷媒入り中空ポペットバルブの製造方法。
2. 請求項１に記載の熱処理工程に使用される箱型の耐熱性バルブ収容治具であって、
   該治具は、軸部挿通用の孔が多数設けられ、該孔の周縁部がバルブ本体の首部を担持して該バルブ本体を懸吊支持する水平支持枠と、前記バルブ本体の傘部を被うように前記水平支持枠上に開閉自在に配設された蓋とを備え、
   バルブ本体を収容した治具を上下逆様に反転すると、バルブ本体が治具と一体に上下逆様に反転することを特徴とするバルブ収容治具。
3. 前記水平支持枠は、前記バルブ本体の軸径に略対応する大きさの碁盤目状格子孔が設けられた少なくとも上下二段の第１の格子状水平支持枠で構成され、
   前記蓋は、上下逆様に反転したバルブ本体の傘部底面を担持する第２の格子状水平支持枠で構成されたことを特徴とする請求項２に記載のバルブ収容治具。

Images