JPH0571316A

JPH0571316A - 伝熱部材

Info

Publication number: JPH0571316A
Application number: JP11634891A
Authority: JP
Inventors: Tsutomu Takahashi; 務高橋
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 1991-05-21
Filing date: 1991-05-21
Publication date: 1993-03-23

Abstract

(57)【要約】【目的】エギゾーストバルブの放熱性能を高めてバル
ブ自体の強度低下やバルブがバルブシートへ焼き付く等
の問題を解消する。また、ナトリウム封入型バルブに比
べて、製造を容易化し、生産コストを低減する。【構成】エギゾーストバルブの軸部の内部に、長手方
向に延びる空洞部を形成し、この空洞部内に少量の鉛ま
たは鉛合金を封入する。鉛または鉛合金の体積は、空洞
部の内容積の１〜５０％とし、空洞部内は１０^-2ｔｏｒ
ｒ以下に減圧する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、自動車エンジンに使用
されるエギゾーストバルブ等のように、長手方向に振動
するとともに長手方向の一端側から加熱される伝熱部材
において、伝熱性能を向上するための改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】図２は、一般的な自動車エンジンの弁機
構を示す斜視図である。この図において符号１はシリン
ダ内で上下動するピストン、２は燃焼室へ混合気を注入
するインテークバルブ、３は燃焼室内の燃焼ガスを排気
するエギゾーストバルブ、４は各バルブ２，３の上端に
接続されたロッカーアーム、５は各ロッカーアーム４を
駆動するカムシャフトである。

【０００３】この種のエンジンでは、混合気によって冷
却されるインテークバルブ２に比べて、エギゾーストバ
ルブ３が遥かに高温かつ酸化性の雰囲気に曝される。し
かも、高応力状態での高速作動が要求されるため、その
材質には従来、ＳＵＨ３１，ＳＵＨ３４，ＳＵＨ３６な
どのオーステナイト系耐熱鋼が使用され、バルブシート
との当接面にステライトの肉盛りを施して使用されてい
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、自動車用エ
ンジンの最高回転数は現在８０００ｒｐｍ程度である
が、将来的には１００００ｒｐｍまで高めることが要求
されており、エギゾーストバルブの使用温度も、現状の
最高９００℃程度から１０００℃程度にまで上昇するこ
とが予想されている。

【０００５】従来のエギゾーストバルブでは、比較的熱
伝導性の低いオーステナイト系耐熱鋼を使用しているた
め、このような過酷な条件下では放熱性能が不足して過
熱し、バルブ自体の強度低下や、バルブシートへ焼き付
く等の問題が生じるおそれがある。また、エンジン内で
エギゾーストバルブ周辺の温度が上昇すると、混合気の
圧縮比を高めた場合にノッキングが起こり易くなるう
え、混合気の充填効率が低下する問題も生じる。

【０００６】そこで、エギゾーストバルブの軸部を中空
化し、その中に体積比６０％程度の金属ナトリウムを封
入した中空バルブが提案されている。このような中空バ
ルブでは、封入されたナトリウムがエンジンの温度上昇
により液化し、さらにバルブの上下動により激しく攪拌
されるため、燃焼室の熱が液化ナトリウムを媒介として
エギゾーストバルブを支持するバルブガイドに逃げ、熱
伝達性および放熱性が改善されるのである。

【０００７】しかし、上記のナトリウム封入型バルブで
は、ナトリウムが発火性を有するため中空バルブへの封
入・接合作業に必然的に危険を伴い、量産を行ううえで
支障になるうえ、手間がかかる分、生産コストがかかる
問題を有していた。なお、上述の説明ではエンジン用エ
ギゾーストバルブを例に挙げたが、同様の問題は、高温
に曝されかつ高速で運動する各種の機械部品に広く言え
ることである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は上記課題を解決
するためになされたもので、伝熱部材の内部に、その長
手方向に延びる空洞部を有し、この空洞部内に空洞部の
内容積よりも少量の鉛または鉛合金を封入したことを特
徴としている。鉛または鉛合金の体積は、空洞部の内容
積の１〜５０％であることが望ましい。また、空洞部内
は１０^-2ｔｏｒｒ以下に減圧されていることが望まし
い。さらに、伝熱部材は、軸部とこの軸部の一端に設け
られた弁部とを具備するバルブとされ、軸部内に前記空
洞部が形成されていてもよい。

【０００９】

【作用】この伝熱部材では、空洞部に封入された鉛また
は鉛合金が伝熱部材の温度上昇により液化し、さらに伝
熱部材の運動により激しく攪拌されるため、伝熱部材の
一端側に加えられた熱が、液化した鉛または鉛合金を媒
介として長手方向に効率よく伝達され、高い放熱性が得
られる。

【００１０】また、鉛または鉛合金は化学的に安定で、
発火等の危険がないため、封入作業に際し安全性が高
く、量産が容易である。さらに、鉛または鉛合金はナト
リウムに比して比重が大きいから、伝熱部材の運動に伴
い獲得する運動エネルギーが大きく、伝熱部材の運動に
追従して空洞部の長手方向によく動き、攪拌性が良好で
あるうえ、空洞部の内壁面との衝突時の衝撃が大きいか
ら、衝突時に鉛の液滴が広く飛散し、広範に亙って内壁
面との熱交換が行われ、伝熱性能が高い。

【００１１】

【実施例】次に、本発明に係わる伝熱部材の実施例を具
体的に説明する。図１は本発明の一実施例としてエンジ
ン用のエギゾーストバルブ（伝熱部材）１０を示す断面
図である。このエギゾーストバルブ１０は、丸棒状の軸
部１２と、この軸部１２の一端に同軸に形成された円錐
状の弁部１４とからなり、軸部１２の他端側にはロッカ
ーアーム（図２中符号４参照）を固定するための弁溝１
６が形成されている。

【００１２】軸部１２の内部には長細い円柱形の空洞部
２０が同軸に形成され、この空洞部２０内には、鉛また
は鉛合金である低融点金属２２が封入されている。鉛合
金としては、Ｐｂ−Ｂｉ、Ｐｂ−Ｃａ等が好適で、融点
は４００℃以下であることが好ましい。融点が４００℃
より高いと、エンジン回転数の急激な増大に対する応答
性が悪くなる。

【００１３】空洞部２０の内径は軸部１２の外径の２０
〜７０％程度で、かつ１ｍｍ以上であることが望まし
い。この値が２０％未満ではバルブ１０の熱伝導性を向
上する効果が不足し、７０％より大では、バルブ材質に
もよるが、バルブ１０の強度低下が無視できなくなる。
さらに、空洞部２０の内径が１ｍｍ未満では、溶融した
低融点金属２２の液滴が空洞部２０内で長手方向に動き
にくくなる。空洞部２０の全長は、弁部１４側からバル
ブ溝１６近傍にまで達する長さとされている。

【００１４】低融点金属２２の封入量は、空洞部２０の
内容積の１〜５０％、望ましくは２〜３０％とされる。
１％未満では低融点金属２２による熱伝達効果が充分得
られない。５０％より多いとバルブ１０の重量が増すう
え、低融点金属２２の運動に伴う慣性衝撃が大きすぎ、
バルブ１０の運動を妨げて好ましくない。

【００１５】空洞部２０内は１０^-2ｔｏｒｒ以下に減圧
され、非酸化性雰囲気とされていることが望ましい。空
洞部２０内が酸化性雰囲気であると、鉛が酸化してＰｂ
Ｏが生じ、このＰｂＯがバルブ内面で生じるＦｅ₂Ｏ₃ま
たはＦｅＯと反応し、軸部１２の強度低下を招く（Ｐｂ
とＦｅは高温下でも反応しない）。また、減圧すれば液
滴の運動性を阻害しない利点もある。空洞部２０内を減
圧する代わりに、空洞部２０にＡｒ等の不活性ガスを封
入しても上記反応は防げるが、低融点金属２２の液滴の
運動は流体抵抗により若干阻害される。

【００１６】空洞部２０への低融点金属２２の封入方法
としては、軸部１２を長手方向に２分割しておき、減圧
下で空洞部２０に鉛または鉛合金の粒を所定量入れた
後、これら２部材を接合する等の方法が可能である。

【００１７】一方、軸部１２および弁部１４の材質とし
ては、ＳＵＨ３１、ＳＵＨ３４、インコネル７５１、Ｔ
ｉ合金等が好適である。これらの材質は、優れた高温強
度等の機械的強度が高いという特性を有するため、本発
明品に適している。ただし、必要に応じてはその他の材
質ももちろん使用できる。また、弁部１４の外周縁のバ
ルブシートへの当り面１８にはステライト等の材質によ
り円環状に肉盛り溶接してもよいし、タクトライド等の
表面処理あるいは被覆を施してもよい。

【００１８】なお、このエギゾーストバルブ１０を使用
する場合、バルブ１０を支持するバルブガイドとして銅
系合金製のものを使用すると、バルブ１０の放熱性を高
めるうえで最適である。

【００１９】上記構成からなるバルブ１０によれば、空
洞部２０に封入された鉛または鉛合金２２がエンジンの
温度上昇により液化し、さらにバルブ１０の運動により
激しく攪拌されるため、燃焼室の熱が鉛（合金）を媒介
としてバルブガイドに効率よく伝えられ、高い放熱性が
得られる。しかも、上記攪拌はエンジンが高速回転する
ほど激しくなり、熱伝達性が一層向上するため、バルブ
１０の過熱を防ぎ、バルブ自体の強度低下やバルブがバ
ルブシートへ焼き付く等の問題が防止できる。

【００２０】また、エンジン内でエギゾーストバルブの
周辺温度が低下できるため、混合気の圧縮比を高めた場
合にもノッキングが起こりにくくなるうえ、混合気の充
填効率を高めることができる利点も有する。

【００２１】また、鉛または鉛合金は化学的に安定で、
発火等の危険がないから、バルブ１０への封入作業に際
して安全性が高く、ナトリウム封入型バルブに比して量
産が容易で、製造コストが低下できる。さらに、鉛また
は鉛合金２２はナトリウムよりも比重が大きいため、バ
ルブ１０の運動に伴い獲得する運動エネルギーが大き
く、バルブ１０の運動に追従して空洞部２０の長手方向
によく動き、攪拌性が良好である。しかも、空洞部２０
の内壁面への衝突時の衝撃が大きいから、衝突時に液滴
が広く飛散し、広面積に亙って内壁面との熱交換が行わ
れ、伝熱性能が高い。また、このバルブ１０は、上記理
由により比較的運動速度の遅い領域でも高い伝熱性能が
得られるという特徴を有する。さらに、このバルブ１０
では、軸部１２の中空化により重量が軽減できるから、
バルブ１０の駆動力が少なくて済み、その分、エンジン
の回転数が向上できる。

【００２２】本発明者らは、図１のエギゾーストバルブ
を実際に作成し、エンジンに取り付けて運転実験を行っ
た。試作した実験例のバルブの寸法は、全長１０３ｍ
ｍ、軸部１２の外径６．５ｍｍ、弁部１４の外径３０ｍ
ｍ、空洞部２０の全長８０ｍｍ、空洞部２０の内径３．
５ｍｍである。材質は軸部１２がＳＵＳＨ３４、弁部１
４がステライト肉盛り、低融点金属２２としては鉛を使
用し、その封入量は空洞部２０の内容積の１５％とし
た。

【００２３】一方、同一の寸法および材質で、空洞部の
ないバルブを比較例として作成した。比較例のバルブの
重量は５２．６ｇ、実験例のバルブは４７．８ｇであっ
た。

【００２４】次に、上記各バルブをＤＯＨＣ型ガソリン
エンジンにそれぞれ取り付け、同一条件で回転数７００
０ｒｐｍにおいて３０分間の運転を行った。運転後、比
較例のバルブでは弁部の温度が８２０℃になったのに対
し、実験例では同一部分で６１０℃に留まり、高い放熱
性が確認できた。

【００２５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係わる伝
熱部材によれば、空洞部に封入された鉛または鉛合金が
温度上昇により液化し、さらに伝熱部材の運動により激
しく攪拌されるため、一端側から加えられる熱が鉛（合
金）を媒介として他端側に効率よく伝えられ、高い放熱
性が得られる。しかも、伝熱部材の運動が高速化するほ
ど上記攪拌が激しくなり、熱伝達性が向上する。これに
より、伝熱部材の強度低下や焼き付き等の問題が防止で
きる。

【００２６】また、鉛または鉛合金は化学的に安定で、
発火等の危険がないから、伝熱部材への封入作業に際し
て安全性が高く、ナトリウム封入型伝熱部材に比して量
産が容易で、製造コストが低下できる。さらに、鉛また
は鉛合金はナトリウムよりも比重が大きいため、伝熱部
材の運動に伴い獲得する運動エネルギーが大きく、伝熱
部材の運動に追従して空洞部の長手方向によく動き、攪
拌性が良好である。しかも、空洞部の内壁面への衝突時
の衝撃が大きいから、衝突時に液滴が広く飛散し、広範
に亙って内壁面との熱交換が行われ、伝熱性能が高いう
え、同様の理由により比較的運動速度の遅い領域でも高
い伝熱性能が得られるという特徴を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係わる伝熱部材の一実施例として、エ
ンジン用エギゾーストバルブを示す断面図である。

【図２】自動車用エンジンの弁機構の一例を示す斜視図
である。

【符号の説明】

１０エギゾーストバルブ（伝熱部材）１２軸部１４弁部２０空洞部２２鉛または鉛合金

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】内部に、その長手方向に延びる空洞部を
有し、この空洞部内に空洞部の内容積よりも少量の鉛ま
たは鉛合金を封入したことを特徴とする伝熱部材。
【請求項２】前記鉛または鉛合金の体積は、前記空洞
部の内容積の１〜５０％であることを特徴とする請求
【請求項３】前記空洞部内は１０^-2ｔｏｒｒ以下に減
圧されていることを特徴とする請求項１または２記載の
伝熱部材。
【請求項４】伝熱部材は、軸部とこの軸部の一端に設
けられた弁部とを具備するバルブであり、前記軸部内に
前記空洞部が形成されていることを特徴とする請求項
１，２または３記載の伝熱部材。