JP6131318B2 - 中空ポペットバルブ - Google Patents

Description

ポペットバルブの傘部から軸部にかけて形成された中空部に冷却材が装填された中空ポペットバルブに関する。

下記特許文献１、２等には、軸部の一端側に傘部を一体的に形成したポペットバルブの傘部から軸部にかけて中空部が形成され、バルブの母材よりも熱伝導率の高い冷却材（例えば、金属ナトリウム、融点約９８℃）が不活性ガスとともに中空部に装填された中空ポペットバルブが記載されている。

バルブの中空部は、傘部内から軸部内に延びており、それだけ多くの量の冷却材を中空部に装填できるので、バルブの熱伝導性（以下、バルブの熱引き効果という）を高めることができる。

即ち、エンジンの駆動によって燃焼室は高温になるが、燃焼室の温度が高すぎると、ノッキングが発生して所定のエンジン出力が得られず、燃費の悪化（エンジンの性能の低下）につながる。そこで、燃焼室の温度を下げるために、燃焼室で発生する熱をバルブを介して積極的に熱伝導させる方法（バルブの熱引き効果を上げる方法）として、冷却材を不活性ガスとともに中空部に装填した種々の中空バルブが提案されている。

そして、従来（特許文献１、２）では、傘部内の円盤状大径中空部と軸部内の直線状小径中空部間の連通部が滑らかな曲線領域（内径が徐々に変わる遷移領域）で構成されているが、この連通部が滑らかに連続する形状であることで、バルブの開閉動作（バルブの軸方向への往復動作）の際に冷却材（液体）が封入ガスとともに大径中空部と小径中空部間をスムーズに移動できて、バルブの熱引き効果が上がると考えられている。

然るに、大径中空部と小径中空部間の連通部が滑らかに連続する形状であるため、バルブの開閉動作に合わせて大径中空部と小径中空部間で冷却材（液体）がスムーズに移動できるが、中空部内の冷却材（液体）は上層部，中層部，下層部が攪拌されることなく互いに上下関係を保持したままの状態で軸方向に移動している。

このため、熱源に近い側の冷却材下層部における熱が冷却材中層部，上層部に積極的に伝達されず、熱引き効果（熱伝導性）が十分に発揮されない、ということが分かった。

そこで、特許文献３において、バルブ軸部内の直線状小径中空部をバルブ傘部内の円錐台形状の大径中空部の天井面にほぼ直交するように連通させて、大径中空部から小径中空部への冷却材のスムーズな移動を抑制することで、バルブの開閉動作（バルブの軸方向への往復動作）の際に、大径中空部内の冷却材にバルブの中心軸線周りに縦方向の旋回流（以下、この縦方向の旋回流をタンブル流という）が形成されて、中空部内の冷却材が積極的に攪拌され、バルブの熱引き効果（熱伝導性）が改善される、という発明が出願（提案）された。

ＷＯ2010／041337 特開2011-179328 PCT/JP2012/075452（2012年10月2日出願）

しかし、特許文献３の発明は、円錐台形状の大径中空部の天井面に直線状の小径中空部が連通する構造で、バルブの開閉動作の際に、冷却材の一部が連通部を介して大径中空部と小径中空部間で移動できるため、大径中空部内の冷却材に形成されるタンブル流の勢いがそれだけ弱くなる。このため、冷却材が十分に攪拌されず、熱引き効果（熱伝導性）が十分に発揮されていない（第１の問題点）。

また、バルブ軸部からバルブ傘部にかけて中空であるため、バルブ軸部が中実体で構成された中空バルブと比べて、バルブ軸部の曲げや捩じりに対する強度が低下し、それだけバルブの耐久性が低下する（第２の問題点）。

そこで発明者は、特許文献３の発明の最大の特徴、即ち、「バルブ傘部内の大径中空部を略円錐台形状に形成することで、バルブの開閉動作の際に、大径中空部内の冷却材にタンブル流を形成する」という構成を前提として、バルブ軸部内の小径中空部を隔壁によって大径中空部に対し分離するとともに、両中空部に不活性ガスとともに冷却材をそれぞれ装填してやれば、バルブの開閉動作の際に両中空部内の冷却材はそれぞれの中空部内を上下方向にスムーズに移動し、特に、大径中空部では、冷却材に作用する慣性力がタンブル流の形成だけに利用されるので、勢いのあるタンブル流がスムーズに形成されて、前記した第１の問題が解決できるし、大径中空部と小径中空部を分離する隔壁がバルブ軸部の曲げや捩じりに対する強度の低下を補うので、前記した第２の問題も解決できる、と考えた。

本発明は、先行文献に対する発明者の前記した知見に基づいてなされたもので、その目的は、バルブ軸部内の小径中空部を隔壁によってバルブ傘部内の円錐台形状の大径中空部に対し分離することで、熱引き効果を改善する中空ポペットバルブを提供することにある。

前記目的を達成するために、本発明（請求項１）に係る中空ポペットバルブにおいては、軸部の一端側に傘部を一体的に形成したポペットバルブの傘部から軸部にかけて中空部が形成され、前記中空部に不活性ガスとともに冷却材が装填された中空ポペットバルブにおいて、
前記傘部内には、該傘部の外形に略倣うテーパ形状の外周面を備えた略円錐台形状の大径中空部を設け、一方、前記軸部内には、前記大径中空部の天井面に対し略直交するように該天井面の近傍まで延びる直線状の小径中空部を設けて、前記小径中空部と前記大径中空部を、両中空部間に設けた隔壁によって分離するとともに、分離した両中空部には、不活性ガスとともに冷却材をそれぞれ装填して、前記バルブの開閉動作の際に、前記大径中空部内の冷却材にバルブの中心軸線の周りにタンブル流が形成されるように構成した。

なお、小径中空部と大径中空部間に設ける隔壁としては、第１，第２の実施例に示すように、バルブ傘部に一体的に形成する構造と、第３，第４の実施例に示すように、小径中空部の大径中空部への開口部に挿入したプラグで構成する構造が考えられる。

また、中空部における冷却材の装填量は、一般には、多いほど熱引き効果（熱伝導性）に優れるが、多くなればなるほど装填量に対する熱引き効果が上がらないし、特に大径中空部内では、多過ぎるとタンブル流が形成されにくくなるので冷却材の装填量は、それぞれの中空部の容積の約１／２から４／５程度が望ましい。

（作用）バルブが閉弁状態から開弁状態に移行する際（バルブが下降する際）は、図２（ａ）に示すように、小径中空部および大径中空部内の冷却材（液体）には、それぞれ慣性力が上向きに作用するため、それぞれ上方に移動する。

詳しくは、小径中空部は直線状に延びているので、冷却材全体がスムーズに上方に移動する。一方、大径中空部は、傘部の外形に略倣うテーパ形状の外周面を備えた略円錐台形状に形成されているので、図２（ａ）に示すように、大径中空部中央部の冷却材に作用する慣性力（上向き）が大径中空部周辺領域の冷却材に作用する慣性力よりも大きい。このため、図３（ａ）に示すように、大径中空部の中央部から天井面に沿って半径方向外側に向かう流れＦ１が発生する。このとき、大径中空部の底面側では、大径中空部中央部の冷却材が上方に移動することで、大径中空部中央部の底面側が負圧になって、半径方向外側から内側に向かう流れＦ３が発生し、これに伴って、大径中空部のテーパ形状外周面に沿って下方に向かう流れＦ２が発生する。

即ち、大径中空部内の冷却材には、矢印Ｆ１→Ｆ２→Ｆ３→Ｆ１に示すように、バルブの中心軸線の周りに縦方向外回りの旋回流（以下、外回りのタンブル流という）Ｔ１が形成される。

また、バルブが開弁状態から閉弁状態に移行する際（バルブが上昇する際）は、図２（ｂ）に示すように、小径中空部および大径中空部内の冷却材（液体）には、それぞれ慣性力が下向きに作用するため、それぞれ下方に移動する。

詳しくは、小径中空部内では、バルブが開弁状態から閉弁状態に移行する際に上方に移動した冷却材全体がスムーズに下方に移動する。一方、大径中空部内では、大径中空部中央部の冷却材に作用する慣性力（下向き）は、図２（ｂ）に示すように、大径中空部周辺領域の冷却材に作用する慣性力よりも大きい。このため、図３（ｂ）に示すように、大径中空部内の冷却材には、大径中空部の中央部から底面に沿って半径方向外方に向かう流れＦ６が発生する。このとき、大径中空部の天井面側では、大径中空部中央部の冷却材が下方に移動することで、大径中空部中央部の天井面側が負圧になって、半径方向外側から内側に向かう流れＦ８が発生し、これに伴って、大径中空部のテーパ形状外周面に沿って上方に向かう流れＦ７が発生する。

即ち、大径中空部の冷却材には、矢印Ｆ６→Ｆ７→Ｆ８→Ｆ６に示すように、バルブの中心軸線の周りに縦方向内回りの旋回流（以下、内回りのタンブル流という）Ｔ２が形成される。

このように、バルブが開閉動作することで、バルブの大径中空部内の冷却材には、図３に示すタンブル流Ｔ１，Ｔ２が形成されて、中空部内全体の冷却材の上層部、中層部、下層部が積極的に攪拌されるため、バルブの熱引き効果（熱伝導性）が著しく改善される。

特に、特許文献３では、大径中空部の天井面に小径中空部が連通する構造であるため、バルブの開閉動作の際に、冷却材の一部が連通部を介して大径中空部と小径中空部間で移動し、大径中空部内の冷却材に形成されるタンブル流の勢いがそれだけ弱くなって、大径中空部内の冷却材が十分に攪拌されないおそれがあるのに対し、請求項１では、大径中空部と小径中空部が隔壁で分離されているため、バルブの開閉動作の際に両中空部内の冷却材はそれぞれの中空部内を上下方向にスムーズに移動し、特に、大径中空部では、冷却材に作用する慣性力がタンブル流の形成だけに利用されるので、勢いのあるタンブル流がスムーズに形成されて、冷却材が十分に攪拌され、バルブ傘部における熱引き効果が高くなる。

また、バルブ軸部からバルブ傘部にかけて中空に構成された中空バルブは、バルブ軸部が中実体で構成された中空バルブと比べて、バルブ軸部の曲げや捩じりに対する強度が低下するが、小径中空部と大径中空部間に設けられた隔壁がバルブ軸部の曲げや捩じりに対する強度の低下を補う。

請求項２においては、請求項１に記載の中空ポペットバルブにおいて、前記大径中空部の天井面を画成する前記隔壁または前記大径中空部の底面を画成するバルブ傘表形成壁の少なくともいずれか一方に、前記旋回流の形成を促進する円錐形状のガイド突起を設けるように構成した。

(作用)バルブが開弁状態から閉弁状態に移行する際は、大径中空部内の冷却材に、矢印Ｆ１→Ｆ２→Ｆ３→Ｆ１に示す、外回りのタンブル流Ｔ１が形成されるが、隔壁に設けたガイド突起が、大径中空部の中央部において天井面に向かう冷却材の流れＦ１を天井面に沿って半径方向外方に向かうように案内し、バルブ傘表形成壁に設けたガイド突起が、大径中空部の底面に沿って半径方向内側に向かう流れＦ３を大径中空部の中央部から上方に向かうように案内して、外回りのタンブル流Ｔ１のスムーズな形成に寄与する。

バルブが閉弁状態から開弁状態に移行する際は、大径中空部の冷却材に、矢印Ｆ６→Ｆ７→Ｆ８→Ｆ６に示す、内回りのタンブル流Ｔ２が形成されるが、バルブ傘表形成壁に設けたガイド突起が、大径中空部の中央部において底面に向かう冷却材の流れＦ６を底面に沿って半径方向外方に向かうように案内し、隔壁に設けたガイド突起が、大径中空部Ｓ１の天井面に沿って半径方向内側に向かう流れＦ８を、大径中空部の中央部において下方に向かうように案内して、内回りのタンブル流Ｔ２のスムーズな形成に寄与する。

請求項３においては、請求項１または２に記載の中空ポペットバルブにおいて、前記バルブ軸端部寄りの小径中空部の内径を、前記バルブ傘部寄り小径中空部の内径よりも大きく形成して、前記小径中空部内の軸方向所定位置に円環状の段差部を設けるとともに、前記段差部を越えた位置まで前記冷却材を装填するように構成した。

（作用）バルブが閉弁状態から開弁状態に移行する際（バルブが下降する際）は、小径中空部内の冷却材（液体）が、内径の小さいバルブ傘部寄りの小径中空部から内径の大きいバルブ軸端部寄りの小径中空部に移動する際に、図３（ａ）に示すように、段差部の下流側で乱流Ｆ９が形成されて、小径中空部内の冷却材が攪拌される。

一方、バルブが開弁状態から閉弁状態に移行する際（バルブが上昇する際）は、開弁動作によって小径中空部内を上方にいったん移動した冷却材（液体）が、内径の大きいバルブ軸端部寄りの小径中空部から内径の小さいバルブ傘部寄りの小径中空部に移動する際に、図３（ｂ）に示すように、円環状の段差部の下流側で乱流Ｆ１０が形成されて、小径中空部内の冷却材が攪拌される。

このように、バルブの開閉動作(上下方向の往復動作)に伴って、冷却材が小径中空部内を軸方向に移動する際に段差部の近傍に乱流が発生し、これによって小径中空部内の冷却材が攪拌されるので、バルブ軸部における熱引き効果（熱伝導性）がさらに高くなる。

請求項４においては、請求項１〜３のいずれかに記載の中空ポペットバルブにおいて、前記隔壁をバルブ傘部に一体的に形成するように構成した。

（作用）バルブ傘部に一体的に形成されている隔壁は、バルブ傘部から外れるなどのおそれが一切ないので、大径中空部と小径中空部を分離する隔壁の耐久性に優れる。

請求項５においては、請求項１〜３のいずれかに記載の中空ポペットバルブにおいて、前記隔壁を、前記大径中空部の天井面に連通する前記小径中空部の該大径中空部への開口部に圧入したプラグで構成した。

（作用）プラグの素材を、バルブの素材よりも熱伝達率の高い素材で構成することで、バルブの熱引き効果がさらに上がる。

本発明に係る中空ポペットバルブによれば、バルブの開閉動作(上下方向の移動動作)の際に、小径中空部内の冷却材全体が軸方向にスムーズに移動するとともに、大径中空部内の冷却材全体が勢いのあるタンブル流によって積極的に撹拌されるので、特にバルブ傘部における熱引き効果（熱伝導性）が著しく改善されて、エンジンの性能が向上する。

また、小径中空部と大径中空部を分離する隔壁がバルブ軸部の曲げ強度および捩じり強度の低下を補うので、熱引き効果（熱伝導性）および耐久性に優れた中空ポペットバルブを提供できる。

請求項２に係る中空ポペットバルブによれば、バルブの開閉動作(上下方向の移動動作)の際に、大径中空部内の冷却材に勢いのあるタンブル流がスムーズに形成されるので、大径中空部内の冷却材が十分に攪拌されて、熱引き効果（熱伝導性）にいっそう優れた中空ポペットバルブを提供できる。

請求項３に係る中空ポペットバルブによれば、バルブの開閉動作(上下方向の動作)に伴って、小径中空部内の冷却材全体も積極的に撹拌されるので、熱引き効果（熱伝導性）にさらにいっそう優れた中空ポペットバルブを提供できる。

請求項４に係る中空ポペットバルブによれば、大径中空部と小径中空部を分離する隔壁の耐久性に優れ、バルブにおける所定の熱引き効果が長期にわたり保証されるので、エンジンの所定の性能を長期間にわたり安定して発揮することが可能となる。

請求項５に係る中空ポペットバルブによれば、プラグの素材をバルブの素材よりも熱伝達率の高い素材で構成することで、バルブの熱引き効果をよりいっそうに高めることができる。

本発明の第１の実施例である中空ポペットバルブの縦断面図である。 同中空ポペットバルブが軸方向に往復動作する際の中空部内の冷却材に作用する慣性力を示す図で、（ａ）は開弁動作（下降動作）時の冷却材に作用する慣性力を示す断面図、（ｂ）は閉弁動作（上昇動作）時の冷却材に作用する慣性力を示す断面図である。 同中空ポペットバルブが開閉動作（軸方向に往復動作）する際の中空部内の冷却材の動きを拡大して示す図で、（ａ）は閉弁状態から開弁状態に移行する際の冷却材の動きを示す図で、（ｂ）は開弁状態から閉弁状態に移行する際の冷却材の動きを示す図である。 同中空ポペットバルブの製造工程を示す図で、（ａ）はバルブ中間品であるシェルを鍛造する熱間鍛造工程、（ｂ）は傘部寄り小径中空部に相当する孔を穿設する孔穿設工程、（ｃ）は軸端部寄り小径中空部に相当する孔を穿設する孔穿設工程、（ｄ）は小径中空部に冷却材を充填する冷却材装填工程、（ｅ）は軸端部材を軸接する軸接工程（小径中空部密閉工程）、（ｆ）は大径中空部に冷却材を充填する冷却材装填工程、（ｇ）は傘部外殻の凹部（大径中空部）の開口側内周面にキャップを接合する工程（大径中空部密閉工程）を示す図である。 本発明の第２の実施例である中空ポペットバルブの縦断面図である。 同中空ポペットバルブが開閉動作（軸方向に往復動作）する際の大径中空部内の冷却材の動きを拡大して示す図で、（ａ）は閉弁状態から開弁状態に移行する際の大径中空部内の冷却材の動きを示し、（ｂ）は開弁状態から閉弁状態に移行する際の大径中空部内の冷却材の動きを示す図である。 同中空ポペットバルブの製造工程を示す図で、（ａ）はバルブ中間品であるシェルを鍛造する熱間鍛造工程、（ｂ）は小径中空部に相当する孔を穿設する孔穿設工程、（ｃ）は小径中空部に冷却材を充填する冷却材装填工程、（ｄ）は軸端部材を軸接する軸接工程（小径中空部密閉工程）、（ｅ）は大径中空部に冷却材を充填する冷却材装填工程、（ｆ）は傘部外殻の凹部（大径中空部）の開口側内周面にキャップを接合する工程（大径中空部密閉工程）を示す図である。 本発明の第３の実施例である中空ポペットバルブの縦断面図である。 同中空ポペットバルブの製造工程を示す図で、（ａ）はバルブ中間品であるシェルを鍛造する熱間鍛造工程、（ｂ）は傘部外殻の凹部底面（大径中空部の天井面）から軸部にかけて小径中空部に相当する孔を穿設する孔穿設工程、（ｃ）は傘部外殻の凹部側から小径中空部に冷却材を充填する冷却材装填工程、（ｄ）は小径中空部の開口部にプラグを圧入してロウ付けする工程（小径中空部密閉工程）、（ｅ）は傘部外殻の凹部（大径中空部）に冷却材を充填する冷却材装填工程、（ｆ）は傘部外殻の凹部（大径中空部）の開口側内周面にキャップを溶接する工程（大径中空部密閉工程）を示す図である。 本発明の第４の実施例である中空ポペットバルブの縦断面図である。

次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて説明する。

図１〜図４は、本発明の第１の実施例である内燃機関用の中空ポペットバルブを示す。

これらの図において、符号１０は、真っ直ぐに延びるバルブ軸部１２の一端側に、外径が徐々に大きくなるＲ形状のフィレット部１３を介して、バルブ傘部１４が一体的に形成された耐熱合金製の中空ポペットバルブで、バルブ傘部１４の外周には、テーパ形状のフェース部１６が設けられている。

中空ポペットバルブ１０内の中空部は、バルブ傘部１４とバルブ軸部１２間のフィレット部１３に対応する位置に設けられた隔壁１５によって、バルブ傘部１４側の大径中空部Ｓ１と、バルブ軸部１２側の小径中空部Ｓ２とに分離されるとともに、分離された両中空部Ｓ１，Ｓ２には、不活性ガスとともに冷却材１９がそれぞれ装填されている。

詳しくは、バルブ傘部１４内には、円形の天井面１４ｂ１およびバルブ傘部１４の外形に略倣うテーパ形状の外周面（傾斜面）１４ｂ２を備えた円錐台形状の大径中空部Ｓ１が設けられ、一方、バルブ軸部１２内には、大径中空部Ｓ１の円形天井面１４ｂ１に対し直交するように該天井面１４ｂ１の近傍まで延びる細長い円柱状の小径中空部Ｓ２が設けられて、小径中空部Ｓ２と大径中空部Ｓ２間には、バルブ傘部１４に一体的に形成された所定厚さの隔壁１５が設けられている。

さらに詳しくは、軸部１２ａの一端側に傘部外殻１４ａが一体的に形成され、軸部１２ａの他端側に開口する小径中空部Ｓ２に相当する孔が形成されたバルブ中間品である軸一体型シェル（以下、単にシェルという）１１と、シェル１１の傘部外殻１４ａの円錐台形状の凹部１４ｂにおける開口側内周面１４ｃに接合された円盤形状のキャップ１８と、シェル１１の軸部１２ａに軸接された軸端部材１２ｂとによって、バルブ傘部１４内の中空部Ｓ１とバルブ軸部１２内の中空部Ｓ２が隔壁１５を介して分離された中空ポペットバルブ１０が構成され、中空部Ｓ１，Ｓ２には、金属ナトリウム等の冷却材１９がアルゴンガスなどの不活性ガスとともにそれぞれ装填されている。冷却材１９の装填量としては、例えば、中空部Ｓ１，Ｓ２の容積のほぼ１／２〜４／５の量がそれぞれ装填されている。

なお、図１における符号２はシリンダヘッド、符号６は燃焼室４から延びる排気通路で、排気通路６の燃焼室４への開口周縁部には、バルブ１０のフェース部１６が当接できるテーパ面８ａを備えた円環状のバルブシート８が設けられている。符号３はシリンダヘッド２に設けられたバルブ挿通孔で、バルブ挿通孔３は、バルブ１０の軸部１２が摺接する円筒形状のバルブガイド３ａで構成されている。符号９は、バルブ１０を閉弁方向（図１の上方向）に付勢するバルブスプリング、符号１２ｃは、バルブ軸部１２の端部に設けられたコッタ溝である。

また、燃焼室４や排気通路６の高温ガスにさらされる部位である、シェル１１およびキャップ１８は、耐熱鋼で構成されているのに対し、機械的強度が要求されるものの、シェル１１およびキャップ１８ほどの耐熱性が要求されない軸端部材１２ｂは、一般的な鋼材で構成されている。

このように構成された中空ポペットバルブ１０では、後で詳しく説明するが、バルブ１０が開閉動作する際に、大径中空部Ｓ１内の冷却材１９は、作用する慣性力によって上下方向に移動する際に、図３（ａ），（ｂ）に示すように、タンブル流Ｔ１，Ｔ２が形成されて、冷却材１９の上層部，中層部，下層部が積極的に攪拌されることとなって、バルブ１０の傘部１４の熱引き効果（熱伝導性）が大幅に改善されている。

また、小径中空部Ｓ２は、内径ｄ１が比較的大きいバルブ軸端部寄りの小径中空部Ｓ２１と、内径ｄ２が比較的小さい（ｄ２＜ｄ１）バルブ傘部１４寄りの小径中空部Ｓ２２で構成されて、小径中空部Ｓ２１，Ｓ２２間には、円環状の段差部１７が形成されるとともに、段差部１７を越えた位置まで冷却材１９が装填されている。

このため、後で詳しく説明するが、小径中空部Ｓ２内の冷却材１９が、バルブ１０が開閉動作する際に作用する慣性力によって上下方向に移動する際に、図３（ａ），（ｂ）に示すように、段差部１７近傍に乱流Ｆ９，Ｆ１０が発生し、冷却材１９が攪拌されることとなって、バルブ軸部１２における熱引き効果（熱伝導性）が改善されている。

次に、バルブ１０が開閉動作する際の中空部Ｓ１，Ｓ２内の冷却材１９の動きを、図２,３に基づいて詳しく説明する。

バルブ１０が閉弁状態から開弁状態に移行する際（バルブ１０が下降する際）は、図２（ａ）に示すように、小径中空部Ｓ２および大径中空部Ｓ１内の冷却材（液体）１９には、それぞれ慣性力が上向きに作用するため、それぞれ上方に移動する。

詳しくは、大径中空部Ｓ１は、傘部１４の外形に略倣うテーパ形状の外周面１４ｂ２を備えた略円錐台形状に形成されているので、図２（ａ）に示すように、大径中空部Ｓ１中央部の冷却材に作用する慣性力（上向き）が大径中空部周辺領域の冷却材に作用する慣性力よりも大きい。このため、図３（ａ）に示すように、大径中空部Ｓ１の中央部から天井面１４ｂ１に沿って半径方向外側に向かう流れＦ１が発生する。このとき、大径中空部Ｓ１の底面側では、大径中空部Ｓ１中央部の冷却材が上方に移動することで、大径中空部Ｓ１中央部の底面側が負圧になって、半径方向外側から内側に向かう流れＦ３が発生し、これに伴って、大径中空部Ｓ１のテーパ形状外周面１４ｂ２に沿って下方に向かう流れＦ２が発生する。

このように、大径中空部Ｓ１内の冷却材には、矢印Ｆ１→Ｆ２→Ｆ３→Ｆ１に示すように、バルブの中心軸線Ｌの周りに外回りのタンブル流Ｔ１が形成される。

また、小径中空部Ｓ２は直線状に延びているので、冷却材１９全体がスムーズに上方に移動し、図３（ａ）に示すように、冷却材１９が上方に移動する際に、段差部１７近傍の下流側に乱流Ｆ９が発生する。

一方、バルブ１０が開弁状態から閉弁状態に移行する際（バルブ１０が上昇する際）は、図２（ｂ）に示すように、小径中空部Ｓ２および大径中空部Ｓ１内の冷却材（液体）１９には、それぞれ慣性力が下向きに作用するため、それぞれ下方に移動する。

大径中空部Ｓ１内では、大径中空部Ｓ１中央部の冷却材１９に作用する慣性力（下向き）は、図２（ｂ）に示すように、大径中空部Ｓ１周辺領域の冷却材１９に作用する慣性力よりも大きい。このため、図３（ｂ）に示すように、大径中空部Ｓ１内の冷却材１９には、大径中空部Ｓ１の中央部から底面に沿って半径方向外側に向かう流れＦ６が発生する。このとき、大径中空部Ｓ１の天井面１４ｂ１側では、大径中空部Ｓ１中央部の冷却材１９が下方に移動することで、大径中空部Ｓ１中央部の天井面１４ｂ１側が負圧になって、半径方向外側から内側に向かう流れＦ８が発生し、これに伴って、大径中空部Ｓ１のテーパ形状外周面１４ｂ２に沿って上方に向かう流れＦ７が発生する。

即ち、大径中空部Ｓ１の冷却材１９には、矢印Ｆ６→Ｆ７→Ｆ８→Ｆ６に示すように、バルブ１０の中心軸線Ｌの周りに内回りのタンブル流Ｔ２が形成される。

また、小径中空部Ｓ２は直線状に延びているので、バルブ１０が開弁状態から閉弁状態に移行する際（バルブ１０が上昇する際）にいったん上昇した冷却材１９全体がスムーズに下方に移動し、図３（ｂ）に示すように、冷却材１９が下方に移動する際に、段差部１７近傍の下流側に乱流Ｆ１０が発生する。

このように、バルブ１０の小径中空部Ｓ２内の冷却材１９は、バルブ１０が開閉動作する際に発生する乱流Ｆ９，Ｆ１０によって攪拌され、バルブ１０の大径中空部Ｓ１内の冷却材１９は、バルブ１０が開閉動作する際に形成されるタンブル流Ｔ１，Ｔ２によって、上層部、中層部、下層部が積極的に攪拌されるため、バルブ１０の熱引き効果（熱伝導性）が著しく高められている。

また、小径中空部Ｓ内の段差部１７は、図１に示すように、バルブガイド３の排気通路６に臨む側の端部３ｂに略対応する位置に設けられて、内径の大きい軸端部寄り小径中空部Ｓ２１を軸方向に長く形成することで、バルブ１０の耐久性を低下させることなく、バルブ軸部１２の冷却材１９との接触面積が増えて、バルブ軸部１２の熱伝達効率が上がり、小径中空部Ｓ２１形成壁が薄肉となって、バルブ１０も軽量となる。即ち、小径中空部Ｓ内の段差部１７は、図１の仮想線に示すように、バルブ１０が開弁(下降)しきった状態で、排気通路６内とならない所定位置（バルブ軸部１２における薄肉の小径中空部Ｓ２１形成壁が排気通路６内の熱の影響を受け難い所定位置）に設けられている。図１の符号１７Ｘは、バルブ１０が開弁(下降)しきった状態での段差部１７の位置を示す。

詳しくは、金属の疲労強度は高温になるほど低下するため、常に排気通路６内にあって高熱にさらされる部位である、バルブ軸部１２におけるバルブ傘部１４寄りの領域は、疲労強度の低下に耐え得る程度の肉厚に形成する必要がある。一方、熱源から離れ、しかも常にバルブガイド３ａに摺接する部位である、バルブ軸部１２における軸端部寄りの領域は、冷却材１９を介して燃焼室４や排気通路６の熱が伝達されるものの、伝達された熱はバルブガイド３ａを介して直ちにシリンダヘッド２に放熱されるため、バルブ傘部１４寄りの領域ほどの高温となることがない。

即ち、バルブ軸部１２における軸端部寄り領域は、バルブ傘部１４寄りの領域よりも疲労強度が低下しないため、薄肉に形成（小径中空部Ｓ２１の内径を大きく形成）しても、強度的（疲労により折損する等の耐久性）には問題がない。

そこで、本実施例では、小径中空部Ｓ２１の内径を大きく形成して、第１には、小径中空部Ｓ２全体の表面積（冷却材１９との接触面積）を増やすことで、バルブ軸部１２における熱伝達効率が高められている。第２には、小径中空部Ｓ２全体の容積を増やすことで、バルブ１０の総重量が軽減されている。

また、バルブの軸端部材１２ｂは、シェル１１ほどの耐熱性が要求されないため、シェル１１の材料よりも耐熱性の低い廉価材を用いることで、バルブ１０を安価に提供できる。

また、先行特許文献１,２,３のように、バルブ軸部からバルブ傘部にかけて中空に構成された中空バルブは、バルブ軸部が中実体で構成された中空バルブと比べて、バルブ軸部の曲げや捩じりに対する強度が低いが、本実施例のバルブ１０では、小径中空部Ｓ２と大径中空部Ｓ１を分離する隔壁１５がバルブ傘部１４に一体的に形成されて、バルブ軸部１２の曲げや捩じりに対する強度の低下を補うので、それだけ耐久性に優れている。

次に、中空ポペットバルブ１０の製造工程を、図４に基づいて説明する。

まず、図４（ａ）に示すように、熱間鍛造工程により、円錐台形状の凹部１４ｂを設けた傘部外殻１４ａと軸部１２ａとを一体的に形成したシェル１１を成形する。傘部外殻１４ａにおける円錐台形状の凹部１４ｂの底面１４ｂ１は、軸部１２ａ（シェル１１の中心軸線Ｌ）に対し直交する平面で形成されている。

熱間鍛造工程としては、金型を順次取り替える押し出し鍛造で、耐熱鋼製ブロックからシェル１１を製造する押し出し鍛造、またはアップセッタで耐熱鋼製棒材の端部に球状部を据え込んだ後に、金型を用いてシェル１１（の傘部外殻１４ａ）を鍛造する据え込み鍛造のいずれであってもよい。なお、熱間鍛造工程において、シェル１１の傘部外殻１４ａと軸部１２ａとの間には、Ｒ形状フィレット部１３が形成され、傘部外殻１４ａの外周面には、テーパ形状フェース部１６が形成される。

次に、図４（ｂ）に示すように、シェル１１の軸部１２ａの端部側から小径中空部Ｓ２２に相当する孔１４ｅをドリル加工により穿設する（孔穿設工程）。 この孔穿設工程により、大径中空部Ｓ１を構成する傘部外殻１４ａの凹部１４ｂと、小径中空部Ｓ２２を構成する軸部１２ａ側の孔１４ｅとを分離する隔壁１５が形成される。

次に、図４（ｃ）に示すように、シェル１１の軸部１２ａの端部側から、小径中空部Ｓ２１に相当する孔１４ｆをドリル加工により穿設する（孔穿設工程）。

次に、図４（ｄ）に示すように、シェル１１の軸部１２ａを上に向けて配置し、小径中空部Ｓ２に相当する孔１４ｅ，１４ｆ内に冷却材（固体）１９を所定量充填する（冷却材装填工程）。

次に、図４（ｅ）に示すように、アルゴンガス雰囲気下で、シェル１１の軸部１２ａに軸端部材１２ｂを軸接する（小径中空部密閉工程）。

次に、図４（ｆ）に示すように、傘部外殻１４ａを上に向けて配置し、傘部外殻１４ａの凹部１４ｂに冷却材（固体）１９を所定量充填する（冷却材装填工程）。

最後に、図４（ｇ）に示すように、アルゴンガス雰囲気下で、傘部外殻１４ａの凹部１４ｂの開口側内周面１４ｃにキャップ１８を接合（例えば、抵抗接合）して、バルブ１０の大径中空部Ｓ１を密閉する（大径中空部密閉工程）し、軸端部にコッタ溝１２ｃを形成する加工を施すことで、バルブ１０が完成する。なお、キャップ１８の接合は、抵抗接合に代えて、電子ビーム溶接やレーザー溶接等を採用してもよい。

図５，６，７は、本発明の第２の実施例である中空ポペットバルブを示す。

前記した第１の実施例の中空ポペットバルブ１０では、隔壁１５の大径中空部Ｓ１に臨む側が平面で構成されているが、この第２の実施例である中空ポペットバルブ１０Ａでは、隔壁１５Ａの大径中空部Ｓ１に臨む側、およびキャップ１８の大径中空部Ｓ１に臨む側に、タンブル流Ｔ１，Ｔ２の形成を促進する円錐形状のガイド突起２０，３０が設けられている。

即ち、バルブ１０Ａが閉弁状態から開弁状態に移行する際は、図６（ａ）に示すように、大径中空部Ｓ１内の冷却材１９には、矢印Ｆ１→Ｆ２→Ｆ３→Ｆ１に示す、外回りのタンブル流Ｔ１が形成されるが、隔壁１５に設けたガイド突起２０は、大径中空部Ｓ１の中央部において上方の天井面１４ｂ１に向かう冷却材の流れＦ１を天井面１４ｂ１に沿って半径方向外側に向かうように案内し、キャップ１８に設けたガイド突起３０は、大径中空部Ｓ１の底面に沿って半径方向内側に向かう流れＦ３を大径中空部Ｓ１の中央部において上方に向かうように案内して、外回りのタンブル流Ｔ１のスムーズな形成に寄与する。

一方、バルブ１０Ａが閉弁状態から開弁状態に移行する際は、図６（ｂ）に示すように、大径中空部Ｓ１の冷却材１９には、矢印Ｆ６→Ｆ７→Ｆ８→Ｆ６に示す、内回りのタンブル流Ｔ２が形成されるが、キャップ１８に設けたガイド突起３０は、大径中空部Ｓ１の中央部において下方に向かう冷却材１９の流れＦ６を底面に沿って半径方向外側に向かうように案内し、隔壁１５に設けたガイド突起２０は、大径中空部Ｓ１の天井面１４ｂ１に沿って半径方向内側に向かう流れＦ８を、大径中空部Ｓ１の中央部において下方に向かうように案内して、内回りのタンブル流Ｔ２のスムーズな形成に寄与する。

即ち、第１の実施例では、バルブ１０が閉弁状態から開弁状態に移行する際に、大径中空部Ｓ１の天井面１４ｂ１において冷却材の流れＦ１同士が干渉したり、大径中空部Ｓ１の底面において冷却材の流れＦ３同士が干渉して、それだけタンブル流が形成されるまでに時間がかかり、形成されるタンブル流Ｔ１の勢いも弱くなるおそれがある。また、バルブ１０が開弁状態から閉弁状態に移行する際には、大径中空部Ｓ１の底面において冷却材の流れＦ６同士が干渉したり、大径中空部Ｓ１の天井面１４ｂ１において冷却材の流れＦ８同士が干渉して、それだけタンブル流Ｔ２が形成されるまでに時間がかかり、形成されるタンブル流Ｔ２の勢いも弱くなるおそれがある。

然るに、本実施例では、バルブ１０Ａの開閉動作(上下方向の移動動作)の際に、大径中空部Ｓ１の天井面１４ｂ１や底面において、冷却材１９の流れ同士が干渉ずることなく望ましい方向に導かれるので、それだけタンブル流Ｔ１，Ｔ２が短時間で形成されるとともに、形成されるタンブル流Ｔ１，Ｔ２の勢いも強くなるため、大径中空部Ｓ内の冷却材１９の上層部、中層部、下層部がより積極的に攪拌されて、バルブ傘部１４における熱引き効果がいっそう高い。

また、前記した第１の実施例の中空ポペットバルブ１０では、バルブ軸端部寄り小径中空部Ｓ２１の内径ｄ１をバルブ傘部寄り小径中空部Ｓ２２の内径ｄ２よりも大きくすることで、小径中空部Ｓ２内に円環状の段差部１７が形成されて、バルブ１０が開閉動作する際に、小径中空部Ｓ２内の冷却材１９が、段差部１７近傍に発生する乱流Ｆ９．Ｆ１０によって積極的に攪拌されるが、この第２の実施例である中空ポペットバルブ１０Ａでは、小径中空部Ｓ２’の内径が軸方向に一定の大きさに形成されているため、バルブ１０Ａが開閉動作する際に、小径中空部Ｓ２’内の冷却材１９が第１の実施例のバルブ１０ほど積極的に攪拌されることはない。

その他は、前記した第１の実施例の中空ポペットバルブ１０と同一であり、同一の符号を付すことで、重複した説明は省略する。

次に、中空ポペットバルブ１０Ａの製造工程を、図７に基づいて説明する。
図７（ａ）に示すシェル１１Ａの熱間鍛造工程および図７（ｂ）に示す孔穿設工程は、第１の実施例の中空ポペットバルブ１０の製造工程を構成する、図４（ａ）に示すシェル１１の熱間鍛造工程および図４（ｂ）に示す孔穿設工程と同一であるので、その重複した説明は省略する。ただし、図７（ａ）に示すシェル１１Ａの熱間鍛造工程において、傘部外殻１４ａにおける円錐台形状の凹部１４ｂの底面１４ｂ１には、円錐形状のガイド突起２０が成形される点が、図４（ａ）に示すシェル１１の熱間鍛造工程と相違する。

図７（ｂ）に示す孔穿設工程により、小径中空部Ｓ２’を大径中空部Ｓ１に対し分離する隔壁１５Ａを形成した後、図７（ｃ）に示すように、冷却材（固体）１９を小径中空部Ｓ２’に相当する孔１４ｅに所定量充填する。

次に、図７（ｄ）に示すように、アルゴンガス雰囲気下で、シェル１１Ａの軸部１２ａに軸端部材１２ｂを軸接した後、図７（ｅ）に示すように、傘部外殻１４ａの凹部１４ｂに冷却材（固体）１９を所定量充填する。

最後に、図７（ｆ）に示すように、アルゴンガス雰囲気下で、シェル１１Ａの傘部外殻１４ａの凹部１４ｂの開口側内周面１４ｃに、円錐形状のガイド突起３０を設けたキャップ１８を接合（例えば、抵抗接合）して、バルブ１０Ａの大径中空部Ｓ１を密閉（大径中空部密閉工程）した後、軸端部にコッタ溝１２ｃを形成する加工を施すことで、バルブ１０Ａが完成する。

図８，９は、本発明の第３の実施例である中空ポペットバルブを示す。

前記した第１，第２の実施例の中空ポペットバルブ１０，１０Ａでは、耐熱性が要求されるバルブ中間品であるシェル１１，１１Ａの軸端部に軸端部材１２ｂが軸接により接合一体化されているのに対し、この第３の実施例の中空ポペットバルブ１０Ｂでは、所定長さのバルブ軸部１２に傘部外殻１４ａが一体的に形成されて、耐熱鋼製のバルブ中間品であるシェル１１Ｂが構成されている。

また、第１，第２の実施例の中空ポペットバルブ１０，１０Ａでは、バルブ軸部１２内の小径中空部Ｓ２，Ｓ２’とバルブ傘部１４内の大径中空部Ｓ１は、シェル１１，１１Ａに一体的に形成された隔壁１５，１５Ａによって分離されているのに対し、この第３の実施例では、バルブ軸部１２内の小径中空部Ｓ２，Ｓ２’とバルブ傘部１４内の大径中空部Ｓ１は、小径中空部Ｓ２，Ｓ２’の大径中空部Ｓ１への開口部内に固定されて隔壁を構成するアルミニウム製のプラグ１５Ｂによって分離されている。

詳しくは、シェル１１Ｂの傘部外殻１４ａの円錐台形状の凹部１４ｂ（底面１４ｂ１）には、バルブ軸部１２内の小径中空部Ｓ２’が開口し、該開口部には、プラグ１５Ｂが圧入された後、ロウ付けにより固定されて、バルブ軸部１２内の小径中空部Ｓ２’が密閉されている。

その他の構成は、隔壁を構成するプラグ１５Ｂの大径中空部Ｓ１に臨む側、およびキャップ１８の大径中空部Ｓ１に臨む側がそれぞれ平坦面で構成されている点を除き、前記した第２の実施例に係る中空ポペットバルブ１０Ａと同一であり、同一の符号を付すことで、その重複した説明は省略する。

この第３の実施例のバルブ１０Ｂでは、中空部Ｓ１，Ｓ２’を分離する隔壁であるプラグ１５Ｂが、バルブ１０Ｂの素材である耐熱鋼よりも熱伝導率の高いアルミニウムで構成されているので、それだけ熱引き効果に優れている。

次に、中空ポペットバルブ１０Ｂの製造工程を、図９に基づいて説明する。

まず、図９（ａ）に示すように、熱間鍛造工程により、円錐台形状の凹部１４ｂを設けた傘部外殻１４ａとバルブ軸部１２とを一体的に形成したシェル１１Ｂを成形する。

次に、図９（ｂ）に示すように、傘部外殻１４ａの凹部１４ｂが上向きとなるようにシェル１１Ｂを配置し、傘部外殻１４ａの凹部１４ｂ側からバルブ軸部１２にかけて小径中空部Ｓ２’に相当する円孔１４ｅをドリル加工により穿設する（孔穿設工程）。孔穿設工程により、大径中空部Ｓ１を構成する傘部外殻１４ａの凹部１４ｂと、小径中空部Ｓ２’を構成するバルブ軸部１２側の円孔１４ｅが連通する。

次に、図９（ｃ）に示すように、シェル１１Ｂの傘部外殻１４ａの凹部１４ｂの円孔１４ｅに冷却材（固体）１９を所定量充填する（冷却材装填工程）。

次に、図９（ｄ）に示すように、アルゴンガス雰囲気下で、傘部外殻１４ａの凹部１４ｂ内の孔１４ｅの開口部に、プラグ１５Ｂを圧入しロウ付けにより固定して、小径中空部Ｓ２’を密閉する。

次に、図９（ｅ）に示すように、傘部外殻１４ａの凹部１４ｂに冷却材（固体）１９を所定量充填する（冷却材装填工程）。

最後に、図９（ｆ）に示すように、アルゴンガス雰囲気下で、傘部外殻１４ａの凹部１４ｂにキャップ１８を接合した後、軸端部にコッタ溝１２ｃを形成する加工を施すことで、バルブ１０Ｂが完成する。

図１０は、本発明の第４の実施例である中空ポペットバルブを示す。
この第４の実施例である中空ポペットバルブ１０Ｃの軸部１２内の小径中空部Ｓ ２は、前記した第１の実施例の中空ポペットバルブ１０の軸部１２内の小径中空部Ｓ２と同様、バルブ軸端部寄りの小径中空部Ｓ２１の内径ｄ１がバルブ傘部１４寄りの小径中空部Ｓ２２の内径ｄ２よりも大きく形成されて、小径中空部Ｓ２の長手方向の途中に円環状の段差部１７が形成されている。このため、バルブ１０Ｃが開閉動作する際（バルブ１０Ｃが上下動作する際）に、小径中空部Ｓ２内の冷却材１９が、段差部１７近傍に発生する乱流によって積極的に攪拌されるようになっている。

また、バルブ軸端部寄りの小径中空部Ｓ２１の内径ｄ１をバルブ傘部１４寄りの小径中空部Ｓ２２の内径ｄ２よりも大きく形成する関係上、バルブ中間品であるシェル１１Ｃの軸部１２ａに軸端部材１２ｂが軸接により一体化されている。

また、シェル１１Ｃの傘部外殻１４ａの円錐台形状の凹部１４ｂ（の円形の底面１４ｂ１）における小径中空部Ｓ２の開口部には、アルミニウム製のプラグ１５Ｃが圧入された後、ロウ付けにより固定されて、バルブ軸部１２内の小径中空部Ｓ２が密閉されている。

また、プラグ１５Ｃの大径中空部Ｓ１に臨む側には、前記した第２の実施例のバルブ１０Ａの隔壁１５Ａに設けられているガイド突起２０と同様のガイド突起２０が設けられて、バルブ１０Ｃの開閉動作の際に、大径中空部Ｓ１内の冷却材１９に、タンブル流Ｔ１，Ｔ２がスムーズに形成されるようになっている。

その他は、前記した第１〜第３の実施例に係るバルブ１０，１０Ａ，１０Ｂと同一であるので、同一の符号を付すことで、重複した説明は省略する。

１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ 中空ポペットバルブ
１１，１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ 傘部外殻と軸部を一体的に形成したバルブ中間品であるシェル
１２ バルブ軸部
１２ａ シェルの軸部
１４ バルブ傘部
１４ａ 傘部外殻
１４ｂ 傘部外殻の凹部
１４ｂ１ 大径中空部の円形の天井面（凹部の円形底面）
１４ｂ２ 大径中空部のテーパ形状外周面（円錐台形状の凹部内周面）
１５，１５Ａ 隔壁
１５Ｂ，１５Ｃ 隔壁を構成するプラグ
１８ キャップ
１９ 冷却材
２０，３０ 円錐形状のガイド突起
Ｌ バルブの中心軸線
Ｓ１ 円錐台形状の大径中空部
Ｓ２，Ｓ２’ 直線状の小径中空部
Ｓ２１ 軸端部寄り小径中空部
Ｓ２２ 傘部寄り小径中空部
Ｔ１，Ｔ２ タンブル流

Claims (5)

1. 軸部の一端側に傘部を一体的に形成したポペットバルブの傘部から軸部にかけて中空部が形成され、前記中空部に不活性ガスとともに冷却材が装填された中空ポペットバルブにおいて、
   前記バルブ傘部内には、該傘部の外形に略倣うテーパ形状の外周面を備えた略円錐台形状の大径中空部が設けられ、一方、前記バルブ軸部内には、前記大径中空部の天井面に対し略直交するように該天井面の近傍まで延びる直線状の小径中空部が設けられて、前記小径中空部と前記大径中空部が前記大径中空部の天上面を構成する隔壁によって分離されるとともに、
   前記大径中空部の天井面が、前記小径中空部の内径より半径方向外方に拡径された外径をもつ、前記隔壁の下面を含む円形の平面で構成され、
   前記小径中空部および大径中空部には、不活性ガスとともに冷却材がそれぞれ装填されて、前記バルブの開閉動作の際に、前記大径中空部内の冷却材にバルブの中心軸線の周りに縦方向の旋回流が形成されることを特徴とする中空ポペットバルブ。
2. 前記大径中空部の天井面を画成する前記隔壁または前記大径中空部の底面を画成するバルブ傘表形成壁の少なくともいずれか一方には、前記旋回流の形成を促進する略円錐形状のガイド突起が設けられたことを特徴とする請求項１に記載の中空ポペットバルブ。
3. 前記バルブ軸端部寄りの小径中空部の内径が前記バルブ傘部寄り小径中空部の内径よりも大きく形成されて、前記小径中空部内の軸方向所定位置に円環状の段差部が設けられるとともに、前記段差部を越えた位置まで前記冷却材が装填されたことを特徴とする請求項１または２に記載の中空ポペットバルブ。
4. 前記隔壁は、バルブ傘部に一体的に形成されたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の中空ポペットバルブ。
5. 前記隔壁は、前記大径中空部の天井面に連通する前記小径中空部の該大径中空部への開口部に圧入したプラグで構成されたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の中空ポペットバルブ。

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