JP6205437B2

JP6205437B2 - 中空ポペットバルブ

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Publication number: JP6205437B2
Application number: JP2015561142A
Authority: JP
Inventors: 摂常石; 雅章井上
Original assignee: Nittan Valve Co Ltd
Current assignee: Nittan Valve Co Ltd
Priority date: 2014-02-10
Filing date: 2014-02-10
Publication date: 2017-10-04
Anticipated expiration: 2034-02-10
Also published as: BR112016017938B1; CN105980675B; KR101683590B1; KR20160093028A; JPWO2015118690A1; MX2016009708A; US9790822B2; TW201544676A; BR112016017938A2; US20160356186A1; PL3106633T3; EP3106633A4; EP3106633B1; CN105980675A; EP3106633A1; BR112016017938B8; RU2641870C1; TWI638092B; WO2015118690A1

Description

本発明は、バルブ本体の傘部から軸部にかけて、断熱空間と中空部が形成された中空ポペットバルブに関する。

特許文献１、２等には、軸端部に傘部を一体的に形成したポペットバルブが記載されている。内燃機関で使用されるポペットバルブは、吸気路又は排気路が接続されるシリンダヘッドの弁座に着座して前記吸気路又は排気路を開閉させてエンジンを駆動させている。

通常、内燃機関は、燃焼室の内部温度が高いほど燃焼効率は向上する。前記燃焼室の熱は前記ポペットバルブを介して外部に散逸することが多い。そのため、前記燃焼室に接触するポペットバルブの傘表にあるいはその近傍に、空間を形成して、この空間を真空にしたり、不活性ガスを充填したり、あるいは前記ポペットバルブを構成する材料より熱伝導率の小さい材料を充填して、断熱空間を形成し、燃焼室内の熱の散逸を抑制している（特許文献１参照）。

このように、断熱空間を形成することにより、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。

特許文献２のポペットバルブでは、傘部から軸部にかけて中空部が形成され、この中空部には、エンジン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装填されている。

エンジンバルブの中空部は、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、エンジンバルブの熱伝導性（以下、バルブの熱引き効果という）を高めることができる。しかしながら、エンジンバルブの軸部は中空部が形成されて体積が減少しているため、前記熱引き効果が大きすぎると、軸部の温度が過度に上昇する。エンジンバルブのうちの吸気バルブは、ガソリンと空気の混合気を吸気するが、この吸気バルブの表面温度が高すぎると、この吸気バルブに接触する前記混合気が体積膨張して、ワンサイクルで吸引できる混合気の量が減少して、エンジンの効率が低下してしまう。また、エンジンバルブのうち、排気バルブは吸気バルブと比較して高温にさらされ、特に首部の強度低下が生じやすくなっている。

特開２０１２−７２７４８実開昭６１−１０６６７７

このように冷媒を使用するポペットバルブでは、断熱効果と熱引き効果の相対値を調節して、最大の燃焼効率を達成することが望ましい。特許文献２記載のポペットバルブでは、断熱空間部９と冷却室７が形成され、両者が傘部表面部Ａにより分離されている。このポペットバルブでは、断熱効果を生じさせる断熱空間部９と、熱引き効果を生じさせる冷却室７が存在するが、両者を分離する傘部表面部Ａは、バルブ固有の部材で、この部材をコントロールして断熱効果と熱引き効果を調節するという発想は生じない。つまり、断熱空間部９と冷却室７の形状が固定され、したがってそれぞれの容量が一定であるため、断熱効果と熱引き効果を各車種等に応じた適切な相対割合に設定できないのである。

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、燃焼室で得られた熱エネルギーがバルブに散逸してしまうことを抑制し燃焼効率を格段に改善でき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中空ポペットバルブにおいて、前記バルブには、隔壁で分離された傘側中空部と軸側中空部が形成され、前記傘側中空部には、ガスまたはバルブ形成金属より低熱伝導率の材料を収容して断熱部が構成され、かつ前記軸側中空部には、冷却材が装填されるように構成した。

（作用）このような構成から成るポペットバルブを、エンジンバルブとして使用すると、隔壁より下方の傘側中空部（断熱空間部または大径中空部）では、該空間の熱伝導率が低いため、燃焼室内の熱の放散が抑制されて燃焼室内の温度が高く維持される。一方前記隔壁より上方の冷却部では、金属ナトリウムなどの冷却材が、冷却部の外壁面と該冷却部の周囲の混合気を冷却する。冷却部は中空状に成型されているため、高熱により疲労強度の低下が生じ損傷しやすくなるが、前記冷却材により冷却されるため、熱的な損傷が生ずる虞が殆ど生じなくなる。これは、混合気の温度が高い排気バルブの首部において特に顕著である。そして前記ポペットバルブが吸気バルブの場合、吸気される混合気が加熱膨張してワンサイクルで吸気される混合気の量が減少して燃費が低下する。しかしながら冷却材により前記混合気が冷却されるため、混合気が量的に十分に供給されてエンジンが円滑に作動するようになる。つまり、バルブ周辺の吸入気(混合気)がバルブから受ける熱により体積膨張するため吸入量が減少することによる燃焼効率低下が抑制され、さらに前述の熱エネルギーの散逸抑制と相俟って燃焼効率を格段に改善させることが可能になる。

そして本発明の場合、前記断熱空間部と前記冷却部が前記隔壁により分離されているため、この隔壁の上下方向の位置や上下方向の長さを、使用車種等に応じて適宜設定することにより、適切な断熱効果と熱引き効果が得られる。さらに、前記断熱空間部と前記冷却部を形成したことにより中空構造になるため、前記ポペットバルブの機械的強度が不足するが、前記隔壁により、機械的強度が上昇する。

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、前記傘部の燃焼室側表面、前記傘部から前記軸部に掛けての外周面、および傘側中空部内壁の少なくとも一箇所に、断熱層を形成するよう構成した。

（作用）この中空ポペットバルブでは、本来高温に曝されやすい前記傘部の燃焼室側表面、例えば傘部外殻の底面とキャップ下面と、前記傘部から前記軸部に掛けての外周面、例えばポペットバルブのフィレット部の両方または一方に、セラミックス等から成る断熱層が形成されているため、各部材が高温に曝されることが回避され、高温安定性が得られる。また、傘側中空部内壁にも断熱層を形成することにより、傘部外殻に成形した断熱層を通過した熱が傘部中空に伝導するのを抑制し、更に断熱効果を高めることが出来る。

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、前記隔壁が、バルブ本体と一体成型されているように構成する。

（作用）バルブ本体と隔壁が一体成型されていると、接合界面が存在せず、剛性が高く、熱的および機械的応力に対して、高耐性があり、過酷な環境で使用されるポペットバルブが提供できる。

請求項４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、前記隔壁が、前記軸部の内径と実質的に同じ外径を有する円柱体を前記冷却部内に挿嵌や溶接などの接合をして所定位置に固定されるよう構成する。

（作用）この円柱体を冷却部内に挿嵌して隔壁を構成する態様では、一体成型の場合と同程度の剛性は得られないが、円柱体の挿嵌位置や円柱体の上下長さを容易に変更でき、更に材質の変更も容易であり、必要とする断熱効果と熱引き効果を得やすくなる。

請求項５においては、請求項１から４までのいずれか１項に記載の中空ポペットバルブにおいて、前記傘部の燃焼室側には、傘側中空部の底面を画成するキャップ材が接合されるよう構成する。

（作用）このキャップを接合する態様では、傘側中空部を所望の断熱材やガスで充填することが容易になり、かつ接合を真空または減圧下で行うことにより、傘側中空部を低熱伝導性の真空または減圧に維持できる。
請求項６においては、前記断熱部では断熱効果が得られ、前記冷却部では熱引き効果が得られ、前記隔壁の上下方向の位置及び上下方向の長さの少なくとも一方を設定して、前記断熱効果と前記熱引き効果の相対値を調節できる。
請求項７においては、軸部の一端側に傘部が一体的に形成され、かつ隔壁で分離された傘側中空部と軸側中空部が形成され、前記傘側中空部には、ガスまたはバルブ形成金属より低熱伝導率の材料を収容して断熱効果が得られる断熱部が構成され、かつ前記軸側中空部には、冷却材が装填されて、熱引き効果が得られる冷却部が構成された中空ポペットバルブの前記断熱効果と前記熱引き効果の相対値の調節方法において、前記隔壁の上下方向の位置及び上下方向の長さの少なくとも一方を設定して、前記断熱効果と前記熱引き効果の相対値を調節する方法が提供される。
（作用）請求項６及び７では、前述の通り、隔壁の設置位置や上下長を変更して、使用車種等に応じて適宜設定することにより、適切な断熱効果と熱引き効果が得られる。

本発明に係る中空ポペットバルブによれば、隔壁の設置位置や上下長を変更しやすく、使用車種等に応じて適宜設定することにより、適切な断熱効果と熱引き効果が得られる。さらに、前記隔壁により、断熱空間部や冷却部が形成されたポペットバルブの機械的または熱的強度が上昇する。

請求項２に係る中空ポペットバルブによれば、高温に曝されやすい傘部の燃焼室側表面、前記傘部から前記軸部に掛けての外周面、および傘側中空部内壁の少なくとも一箇所に、熱伝導率の低い断熱層を形成してあり、これによりこれらの箇所が、燃焼室内や排気炉内の燃焼ガスの熱により熱的に損傷することが回避され、かつ傘側中空部の燃焼室側の内壁に断熱層を形成することにより、燃焼室側から傘側中空部に熱が伝導されるのを抑制する。さらに傘側中空部の軸部側の内壁に断熱層を形成すると、燃焼室内の熱が軸部側に伝導されるのを抑制する。

請求項３に係る中空ポペットバルブによれば、隔壁とバルブ本体を一体成型したポペットバルブにおいて、成型時の変形が大きい、前記軸部と前記傘部の境界付近の強度向上に対する寄与が大きくなる。

請求項４に係る中空ポペットバルブによれば、隔壁を前記断熱空間部と前記冷却部の容積を比較的自由に設定でき、したがって断熱効果と熱引き効果をそれぞれの最適値に近づけることができる。

請求項５に係る中空ポペットバルブによれば、キャップ材が接合して傘側中空部の底面を画成するため、傘側中空部内へ所望のガスや断熱材を充填したり、前記傘側中空部を真空または減圧に維持することを容易に行うことができる。
請求項６に係る中空ポペットバルブによれば、隔壁の設置位置や上下長を適宜設定することにより、適切な断熱効果と熱引き効果が得られる。
請求項７に係る中空ポペットバルブの製造方法でも同様に、隔壁の設置位置や上下長を適宜設定することにより、適切な断熱効果と熱引き効果が得られる。

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。第１の実施例の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。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。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。本発明の第５の実施例である中空ポペットバルブの縦断面図である。本発明の第６の実施例である中空ポペットバルブの縦断面図である。第６の実施例の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）は傘部の外殻の球面状の凹部底面（大径中空部の天井面）に段付き平坦部を形成する工程（段付き平坦部形成工程）、（ｃ）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、（ｄ）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、（ｅ）は小径中空部の開口部にプラグを圧入してロウ付けなどで接合する工程（小径中空部密閉工程）、（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。

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。

図１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厚さがｘ１である隔壁１５によって、バルブ傘部１４側の大径中空部（傘側中空部）Ｓ１と、バルブ軸部１２側の小径中空部（軸側中空部）Ｓ２とに分離されるとともに、分離された大径中空部Ｓ１には、常圧の空気、窒素、アルゴン等のガスが充填されるか真空または減圧に保持され、小径中空部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。前記大径中空部Ｓ１は熱伝導性が低い真空に維持することが望ましい。

詳しくは、バルブ傘部１４内には、球面状の天井面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を備えた球面（ドーム）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の球面状天井面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Ｓ１間には、バルブ傘部１４に一体的に形成された厚さｘ１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の球面状の凹部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には、空気、窒素、アルゴン等のガスが充填され、中空部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。冷却材１９の装填量は、例えば、中空部Ｓ２の容積のほぼ１／２〜４／５である。

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。

キャップ１８は低熱伝導の材料（例えばインコネルなど）の材料を使用し、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は、耐熱鋼（例えばＳＵＨ３５など）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、シェル１１で使用する耐熱鋼の廉価材(例えばＳＵＨ１１など)などで構成されている。

このように構成された中空ポペットバルブ１０の隔壁１５より下方の中空部Ｓ１には、通常空気が充填されるが、この空間に断熱材を装填しても良い。該断熱材の材質としては、耐熱金属やカーボンなどがあり、例えばステンレス鋼製の不織布、短繊維、長繊維、粉末、又は金網、あるいはグラッシーカーボンの小微球により構成された、空隙率が約２５〜８０％のフィルターとして使用できる。また、別の具体例として、金属製不織布に補強金網や保護金網を積層してなる、積層金属不織布フィルターを、例示することができる。この断熱材は取扱いが容易になる。さらに前記断熱材は耐熱金属糸を立体的に形成した金属織物によって構成してもよい。

中空部Ｓ１内に空気を充填するか、あるいはに断熱材を装填することにより、この中空部Ｓ１の熱伝導率が低下して、これにより、燃料の燃焼によって発生するエネルギーが熱としてバルブ本体を介して外部に奪われる量が少なくなる（冷却損失が小さくなる。）。

前記隔壁１５より上方の中空部Ｓ２内の金属ナトリウムなどの冷却材は、冷却部の外壁面と該冷却部の周囲の混合気を冷却する。冷却部は中空状に成型されているため、高温により高温強度が低下が生じ損傷しやすくなるが、前記冷却材により冷却されるため、熱的な損傷が生ずる虞が殆ど生じなくなる。

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、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、段差部１７近傍に乱流が発生し、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。

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Ｓ２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（例えばＳＵＨ１１など）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２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、第１の実施例の中空ポペットバルブ１０の製造工程を、図２に基づいて説明する。

まず、図２（ａ）に示すように、熱間鍛造工程により、球面状の凹部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における球面状の凹部１４ｂの底面１４ｂ１は、軸部１２ａ（シェル１１の中心軸線Ｌ）に対し直交する球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２（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２（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し、段部１７を形成する（孔穿設工程）。

次に、図２（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２（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）。

最後に、図４（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（大径中空部密閉工程）し、軸端部にコッタ溝１２ｃ(図１参照)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。なおキャップ１８を接合する際に、前述のアルゴンガス雰囲気に代えて、減圧状態で接合すると、大径中空部Ｓ１内を減圧にすることができる。

図３は、本発明の第２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。

第２の実施例の中空ポペットバルブ１０Ａ（シェル１１Ａ）では、隔壁１５Ａの厚さを第１の実施例の隔壁１５の厚さｘ１より厚いｘ２とした（ｘ１＜ｘ２）こと以外は、第１実施例と同様の構成を有する。第１の実施例と同一部材には同一の符号を付すことで、その重複した説明は省略する。第２の実施例のポペットバルブでは、隔壁１５Ａの厚さ（上下方向の長さ）を第１の実施例より厚くしたので、機械的強度が比較的弱いフィレット部１３が強化される。このように、隔壁１５Ａの厚さを適宜調節することにより、必要十分な強度を得ることができる。

なお、図３に示した第２の実施例の中空ポペットバルブ１０Ａを製造するためには、図２（ｂ）の孔穿設工程における孔１４ｅ穿設のドリル加工時の孔穿設距離を（ｘ２−ｘ１）だけ短くする工程を加えれば良い。

図４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。第３の実施例の中空ポペットバルブ１０Ｂは、前記第２の実施例の変形例で、第２の実施例と同一部材には同一符号を付して説明を省略する。第３の実施例では、球面状の天井面１４ｂ１の頂上部に、中心軸線Ｌに沿って凹入部１４ｇを形成し、該凹入部１４ｇと小径中空部Ｓ２間に隔壁１５Ｂが形成される。

この第３の実施例では、凹入部１４ｇの長さを調節することにより、前記凹入部１４ｇの体積を増減させて、大径中空部Ｓ１と合わせた断熱空間の体積を最適に設定して、望ましい断熱効率を得ることができる。

図５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。第４の実施例の中空ポペットバルブ１０Ｃは、前記第２の実施例の変形例で、第２の実施例と同一部材には同一符号を付して説明を省略する。第４の実施例では、傘部外殻１４ａの底面およびキャップ１８の下面、Ｒ形状のフィレット部１３、および、傘側中空部（Ｓ１）内壁に、セラミックス等から成る断熱層２１が、例えば溶射により被覆形成されている。この断熱層２１は、傘部外殻１４ａの底面とキャップ１８の下面、フィレット部１３、および傘側中空部内壁の少なくとも一箇所に被覆すればよい。ここで、傘側中空部（Ｓ１）内壁とは、傘側中空部（Ｓ１）のドーム状の球状凹部（１４ｂ）とキャップ１８上面が含まれ、これらの全部または一部に断熱層２１を形成する。

中空ポペットバルブ１０Ｃの内、傘部外殻１４ａの底面とキャップ１８の下面は燃焼室４の高温に曝され、またポペットバルブが排気バルブである場合には、前記フィレット部１３が排気路内の高温の混合気に曝される。これらの箇所に断熱層２１を形成することで、耐熱性が向上し、高温安定性が得られる。また、傘側中空部内壁のキャップ１８上面に断熱層２１を形成すると、キャップ１８下面側の断熱層２１では遮断できなかった熱が遮断されて、傘側中空部に熱が伝導されるのを抑制することができる。また球状凹部（１４ｂ）に形成された断熱部により、傘状中空部（Ｓ１）内の熱が軸部方向に伝達されることを抑制できる。

図６は、本発明の第５の実施例である中空ポペットバルブを示す。第５の実施例の中空ポペットバルブ１０Ｄは、前記第１の実施例の変形例で、第１の実施例と同一部材には同一符号を付して説明を省略する。第５の実施例では、大径の中空部Ｓ１’が半球状ではなく、略円錐台状に形成され、したがって前記大径の中空部Ｓ１’の天井面が平面１４ｃとして形成され、さらに小径の中空部Ｓ２’に、第１の実施例における段部１７が形成されていない。この第５の実施例でも、前述の各実施例と同様に、隔壁１５Ｃにより前記大径の中空部Ｓ１’と小径の中空部Ｓ２’が区画されて、それぞれ断熱効果と冷却効果が発揮される。小径の中空部Ｓ２’内での対流は生じないが、その分、製造が簡略化される。

図７は、本発明の第６の実施例である中空ポペットバルブを示す。前述の実施例では、中空ポペットバルブは、バルブ軸部内の小径中空部とバルブ傘部内の大径中空部は、シェルに一体的に形成された隔壁によって分離されているのに対し、この第６の実施例の中空ポペットバルブ１０Ｅでは、バルブ軸部１２内の小径中空部Ｓ２”とバルブ傘部１４内の大径中空部Ｓ１”は、小径中空部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シェル１１Ｅと同材の耐熱鋼もしくはそれよりも低熱伝導の材料（例えばインコネルなど）のプラグ（円柱体）１５Ｄよって分離されている。このプラグ１５Ｄは、大径中空部Ｓ１”方向から圧入(挿嵌)することにより所定位置に固定される。この第６の実施例では、大径中空部Ｓ１”の傾斜外周面１４ｂ２の頂上部付近に段付き平坦部１４ｂ３が形成されている。

その他の構成は、前記した第１の実施例に係る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、その重複した説明は省略する。

この第６の実施例のバルブ１０Ｅでは、中空部Ｓ１”、Ｓ２”を分離する隔壁であるプラグ１５Ｄが、バルブ１０Ｅの素材である耐熱鋼と同材もしくはそれよりも低熱伝導の材料で構成されているので、中空部Ｓ１”から伝達される熱を隔壁で更に抑制することが出来て、それだけ断熱効果に優れている。また、軸接せずに加工することが出来るので、新たに軸接工程を設ける必要がなく、工程を省略することが出来る。

次に、中空ポペットバルブ１０Ｅの製造工程を、図８に基づいて説明する。

まず、図８（ａ）に示すように、熱間鍛造工程により、球面状の凹部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１１Ｅを成形する。

次に、図８（ｂ）に示すように、大径中空部Ｓ１”の球形面の頂上部付近に切削等により、段付き平坦部１４ｂ３を形成する（段付き平坦部形成工程）。

次に、図８（ｃ）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側の前記段付き平坦部１４ｂ３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。この孔穿設工程では、段付き平坦部１４ｂ３からドリル加工ができるため、正確かつ容易に円孔１４ｅを穿設できる。

次に、図８（ｄ）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８（ｅ）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。

最後に、図８（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、軸端部にコッタ溝を形成する加工を施すことで、バルブ１０Ｅが完成する。

１０、１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ、１０Ｅ中空ポペットバルブ
１１、１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ，１１Ｄ、１１Ｅ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大径中空部の天井面
１４ｂ２大径中空部のテーパ形状外周面
１４ｂ３段付き平坦部
１５、１５Ａ、１５Ｂ．１５Ｄ隔壁
１５Ｅ隔壁を構成するプラグ（円柱体）
１７段部
１８キャップ
１９冷却材
２１断熱層
Ｌバルブの中心軸線
Ｓ１、Ｓ１’，Ｓ１” 円錐台形状の傘側中空部（大径中空部）
Ｓ２、Ｓ２’，Ｓ２” 直線状の軸側中空部（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

Claims

軸部の一端側に傘部を一体的に形成され、バルブ傘部とバルブ軸部間のフィレット部に対応する位置に設けられた隔壁で分離された傘側中空部と軸側中空部が形成され、前記傘側中空部は、前記隔壁、傘部外殻の球面状の凹部、及び前記傘部の燃焼室側の傘側中空部の底面を画成するキャップ材とで形成され、かつ前記傘側中空部には、ガスまたはバルブ形成金属より低熱伝導率の材料を収容して断熱部が構成され、かつ前記軸側中空部には、冷却材が装填されて冷却部が構成された中空ポペットバルブにおいて、
前記断熱部では断熱効果が得られ、前記冷却部では熱引き効果が得られ、前記隔壁の上下方向の位置及び上下方向の長さの少なくとも一方を設定して、前記断熱効果と前記熱引き効果の相対値を調節できることを特徴とする中空ポペットバルブ。
軸部の一端側に傘部が一体的に形成され、かつバルブ傘部とバルブ軸部間のフィレット部に対応する位置に設けられた隔壁で分離された傘側中空部と軸側中空部が形成され、前記傘側中空部は、前記隔壁、傘部外殻の球面状の凹部、及び前記傘部の燃焼室側の傘側中空部の底面を画成するキャップ材とで形成され、かつ前記傘側中空部には、ガスまたはバルブ形成金属より低熱伝導率の材料を収容して断熱効果が得られる断熱部が構成され、かつ前記軸側中空部には、冷却材が装填されて、熱引き効果が得られる冷却部が構成された中空ポペットバルブの前記断熱効果と前記熱引き効果の相対値の調節方法において、前記隔壁の上下方向の位置及び上下方向の長さの少なくとも一方を設定して、前記断熱効果と前記熱引き効果の相対値を調節することを特徴とする方法。