JPWO2014155667A1 - 中空ポペットバルブ - Google Patents

Abstract

バルブ軸部内の小径中空部をバルブ傘部内の大径中空部の底面まで延長することで、中空ポペットバルブの熱引き効果を改善する。傘部(14)内の円錐台形状の大径中空部(S1)が軸部(12)内の小径中空部(S2)に連通する中空ポペットバルブ(10)で、中空部(S2)を中空部(S1)の底面（キャップ(18)の裏側）まで延長するパイプ状の隔壁(15)を中空部(S1)内に設けて、中空部(S1,S2)を分離し、両中空部(S1,S2)に不活性ガス，冷却材(19)をそれぞれ装填する。バルブ(10)の開閉動作の際に中空部(S1)の冷却材(19)に作用する慣性力がタンブル流の形成にのみ利用されて、勢いのあるタンブル流がスムーズに形成され、バルブ傘表(18a)の熱の一部が中空部(S2)内の冷却材(19)を介し軸部(12)に直接伝達され、バルブ(10)の熱引き効果が上がる。

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）。

さらには、高温にさらされるバルブ傘表の熱は、大径中空部内の冷却材を介してバルブ傘部全体に伝達されるものの、連通部を介しての冷却材の移動がスムーズでないためバルブ軸部には効率よく伝達されず、この点においても熱引き効果が十分に発揮されていない(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、大径中空部の天井面と底面との間にパイプ状の隔壁を設けて、小径中空部を大径中空部の底面（バルブ傘表の裏側）まで延長して大径中空部に対し分離し、両中空部に不活性ガスとともに冷却材をそれぞれ装填すれば、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、バルブ傘表の熱の一部が小径中空部内の冷却材を介してバルブ軸部に直接伝達されることで、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、バルブ傘部内の大径中空部内にパイプ状の隔壁を設けて、バルブ軸部内の小径中空部を大径中空部の底面（バルブ傘表の裏側）まで延長しかつ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を設け、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して連通する直線状の小径中空部を設け、
前記大径中空部の底面と天井面間に、前記小径中空部を大径中空部の底面（バルブ傘表の裏側）まで延長して、該小径中空部を前記大径中空部に対し分離するパイプ状の隔壁を介装するとともに、分離された両中空部には、不活性ガスとともに冷却材をそれぞれ装填して、前記バルブが軸方向に往復動作する際に、前記大径中空部内の冷却材にバルブの中心軸線周りにタンブル流が形成されるように構成した。

なお、大径中空部の底面と天井面間に介装されて、小径中空部を大径中空部の底面（バルブ傘表の裏側）まで延長して、該小径中空部を前記大径中空部に対し分離するパイプ状の隔壁としては、第１の実施例に示すように、バルブ軸部側にパイプ状の隔壁を一体化した構造と、第２の実施例に示すように、バルブ傘表を構成するキャップの裏側にパイプ状の隔壁を一体化した構造とが考えられる。

また、中空部における冷却材の装填量は、一般的には、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、特に大径中空部内に装填する冷却材については、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、バルブ軸部内の小径中空部は直線状に延びているので、小径中空部内の冷却材全体がスムーズに上方に移動する。一方、バルブ傘部内の大径中空部は、傘部の外形に略倣うテーパ形状の外周面を備え、パイプ状の隔壁を内周面とする円環状の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、大径中空部中央寄りの冷却材に作用する慣性力（上向き）が大径中空部周辺寄り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、大径中空部中央寄り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、大径中空部中央寄りの冷却材が上方に移動することで、大径中空部中央寄り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、大径中空部中央寄り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、大径中空部周辺寄り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、大径中空部中央寄り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、大径中空部中央寄りの冷却材が下方に移動することで、大径中空部中央寄り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、大径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。

なお、先行特許文献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。

そして、高温にさらされるバルブ傘表の熱の大半は、大径中空部内の冷却材を介してバルブ傘部に効率よく伝達され、さらにバルブ傘表の熱の一部は、大径中空部の底面まで延びた小径中空部内の冷却材を介してバルブ軸部に直接伝達されるので、バルブ全体の熱引き効果（熱伝導性）が高くなる。

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、前記小径中空部を画成するバルブ軸部の内周面と前記パイプ状の隔壁の内周面を面一に構成した。

（作用）バルブ軸部内からバルブ傘表の裏側まで延びる小径中空部の内周面は、パイプ状の隔壁を含めて軸方向に面一に形成されているので、バルブが開閉動作する際（バルブが上下動作する際）の小径中空部内の冷却材の上下方向への移動がいっそうスムーズになる分、バルブ傘表の熱のバルブ軸部への伝達が活発となる。

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。

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タンブル流によって積極的に撹拌されて、バルブ傘表の熱の大半が大径中空部内の冷却材を介してバルブ傘部に効率よく伝達されるとともに、バルブ傘表の熱の一部が小径中空部内の冷却材を介してバルブ軸部に直接伝達されるので、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。

請求項２によれば、小径中空部内の冷却材の軸方向への移動がいっそうスムーズになる分、小径中空部内の冷却材による熱伝達効率が上がり、バルブの熱引き効果（熱伝導性）がさらに改善される。

請求項３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も積極的に撹拌されるので、バルブの熱引き効果（熱伝導性）がさらにいっそう改善される。

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。 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し、（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）は隔壁圧入用の段差部を形成する段差部形成工程、（ｅ）は軸端部材を軸接する軸接工程、（ｆ）は隔壁を圧入・ロウ付けする隔壁圧入・ロウ付け工程、（ｇ）は小径中空部および大径中空部に冷却材をそれぞれ充填する冷却材充填工程、（ｈ）は傘部外殻の凹部（大径中空部）の開口部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の製造工程を示し、（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）は孔の開口部に隔壁圧入用の段差部を形成する段差部形成工程、（ｄ）は小径中空部および大径中空部に冷却材をそれぞれ充填する冷却材充填工程、（ｅ）はキャップ側の隔壁を孔に圧入し傘部外殻の凹部（大径中空部）の開口部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。

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の内部には、バルブ傘部１４内の大径中空部Ｓ１とバルブ軸部１２内の小径中空部Ｓ２が直交するように配設され、両中空部Ｓ１，Ｓ２は、円パイプ状の隔壁１５によって分離されるとともに、各々の中空部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。

大径中空部Ｓ１の外形は、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１４ｂ２を備えた円錐台形状に形成され、小径中空部Ｓ２は、バルブ軸部１２と同軸の細長い円柱形状に形成されている。

即ち、バルブ軸部１２内の小径中空部Ｓ２は、該小径中空部Ｓ２の大径中空部Ｓ２への開口部に固定一体化されてその先端部が大径中空部Ｓ２の底面に圧接する円パイプ状の隔壁１５によって、大径中空部Ｓ２の底面まで延長されている。このため、大径中空部Ｓ２は、小径中空部Ｓ２の延長された下端部を画成する円パイプ状の隔壁１５を取り囲む円環状の空間（テーパ形状の外周面１４ｂ２と円パイプ状の隔壁１５を内周面とする円環状の略円錐台形状の空間）で構成されている。換言すれば、バルブ軸部１２内の小径中空部Ｓ２は、大径中空部Ｓ２の天井面１４ｂ１と底面間に介装された円パイプ状の隔壁１５によって、大径中空部Ｓ２を貫通して大径中空部Ｓ２の底面まで延長されることで、隔壁１５回りに画成された大径中空部Ｓ２に対し分離されている。

詳しくは、小径中空部Ｓ２に相当する孔が形成された軸部１２ａの一端側に傘部外殻１４ａを一体的に形成し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、傘部外殻１４ａの凹部１４ｂにおける小径中空部Ｓ２の開口部に固定一体化された円パイプ状の隔壁１５と、傘部外殻１４ａの凹部１４ｂの開口側内周面１４ｃに接合されてバルブ傘表１８ａを構成する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内の大径中空部Ｓ１とバルブ軸部１２内の小径中空部Ｓ２が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。

また、中空部における冷却材の装填量は、一般的には、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、特に大径中空部内に装填する冷却材については、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。

また、大径中空部Ｓ１を画成する傘部外殻１４ａの凹部１４ｂ（の円形の底面１４ｂ１）に開口する小径中空部Ｓ２の開口部には、パイプ状の隔壁１５の厚さおよび圧入代を考慮した内径および深さをもつ段差部１５ａが形成されており、段差部１５ａに圧入固定された隔壁１５の内周面は、バルブ軸部１２内の直線状の小径中空部Ｓ２の内周面と面一に構成されるとともに、隔壁１５の大径中空部Ｓ１内への突出量は、大径中空部Ｓ１の底面を画成するキャップ１８に圧接するように設定されている。

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については、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、円パイプ状の隔壁１５を内周面とし、傘部１４の外形に略倣うテーパ形状の外周面１４ｂ２を備えた円環状の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中央寄りの冷却材に作用する慣性力（上向き）が大径中空部周辺寄り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中央寄りから天井面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中央寄りの冷却材が上方に移動することで、大径中空部Ｓ１中央寄り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１９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中央寄りの冷却材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周辺寄りの冷却材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中央寄り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中央寄りの冷却材１９が下方に移動することで、大径中空部Ｓ１中央寄りの天井面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。

特に、高温にさらされるバルブ傘表１８ａの熱の一部が、バルブ１０の開閉動作の際に、大径中空部Ｓ１の底面まで延びている小径中空部Ｓ２内の冷却材１９を介してバルブ軸部１２に直接伝達されるので、バルブ１０における熱引き効果（熱伝導性）がさらに高められている。

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にくい、バルブ挿通孔３内の所定位置）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。

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、熱間鍛造により、大径中空部Ｓ１に相当する円錐台形状の凹部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、傘部外殻１４ａの凹部１４ｂが上向きとなるようにシェル１１を配置し、傘部外殻１４ａの凹部１４ｂ側から、傘部寄り小径中空部Ｓ２２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）。

次に、図４（ｃ）に示すように、軸部１２ａの端部側から、軸端部寄り小径中空部Ｓ２１に相当する円孔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、傘部外殻１４ａの凹部１４ｂにおける円孔１４ｅの開口側に、隔壁１５を圧入するための段差部１５ａを切削加工またはドリル加工により形成する（段差部形成工程）。

次に、図４（ｅ）に示すように、シェル１１の軸部１２ａに軸端部材１２ｂを軸接する（軸端部材軸接工程）。

次に、図４（ｆ）に示すように、傘部外殻１４ａの凹部１４ｂに開口する円孔１４ｅの段差部１５ａに、パイプ状の隔壁１５を圧入し、必要に応じてロウ付けする（隔壁圧入・ロウ付け工程）。

次に、図４（ｇ）に示すように、円孔１４ｅおよび凹部１４ｂに冷却材（固体）１９をそれぞれ所定量充填する（冷却材充填工程）。

次に、図４（ｈ）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を配し、パイプ状の隔壁１５の先端部にキャップ１８を押圧保持した状態で、キャップ１８を傘部外殻１４ａの凹部１４ｂに接合（例えば、抵抗接合）して、大径中空部Ｓ１を密閉（大径中空部密閉工程）する。最後に、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。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、図４（ｃ）に示す孔穿設工程と図４（ｄ）に示す段差部形成工程は、いずれの工程を先に行ってもよい。

図５，６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、シェル１１の傘部外殻１４ａの凹部１４ｂに開口する小径中空部Ｓ２の開口部（段差部１５ａ）に固定一体化された円パイプ状の隔壁１５が、バルブ軸部１２内の小径中空部Ｓ２を大径中空部Ｓ１の底面（キャップ１８の裏面）まで延長するとともに、小径中空部Ｓ２を大径中空部Ｓ１に対し分離しているが、この第２の実施例の中空ポペットバルブ１０Ａでは、バルブ傘表１８ａを構成するキャップ１８の裏側に、小径中空部Ｓ２’を大径中空部Ｓ１の底面（キャップ１８の裏面）まで延長するとともに、小径中空部Ｓ２’を大径中空部Ｓ１に対し分離する、円パイプ状の隔壁１５Ａが固定一体化されている。

即ち、キャップ１８の裏面側には、パイプ状の隔壁１５Ａが例えばロウ付けや溶接により固定一体化されており、一方、シェル１１Ａ（の傘部外殻１４ａの凹部１４ｂ）における小径中空部Ｓ２’の開口部には、キャップ１８に一体化されたパイプ状の隔壁１５Ａの先端部を圧入できる段差部１５ｂが形成されている。

そして、パイプ状の隔壁１５Ａの先端部を傘部外殻１４ａの凹部１４ｂ中央の段差部１５ｂに圧入した状態で、キャップ１８がシェル１１Ａの傘部外殻１４ａの凹部１４ｂ（の開口内周１４ｃ）に接合（たとえば、抵抗接合）されることで、大径中空部Ｓ１が密閉されている。また、パイプ状の隔壁１５Ａの先端部が小径中空部Ｓ２’の段差部１５ｂに圧入保持されることで、大径中空部Ｓ１に対し分離された小径中空部Ｓ２’も密閉されている。これらの密閉された大径中空部Ｓ１および小径中空部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。

また、段差部１５ｂに圧入固定された隔壁１５Ａの内周面は、バルブ軸部１２内の直線状の小径中空部Ｓ２’の内周面と面一に構成されて、バルブ１０Ａが開閉動作する際（バルブ１０Ａが上下動作する際）に、小径中空部Ｓ２’内の冷却材１９が上下方向にスムーズに移動できる。

また、本実施例のバルブ１０Ａの小径中空部Ｓ２’は、軸方向に一定の内径で構成されて、第１の実施例のバルブ１０の小径中空部Ｓ２に形成されている段差部１７がないため、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には乱流が発生しない。

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。

次に、中空ポペットバルブ１０Ａの製造工程を、図６に基づいて説明する。

まず、図６（ａ）に示すように、熱間鍛造により、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１１Ａを成形する。

次に、図６（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１１Ａを配置し、傘部外殻１４ａの凹部１４ｂ側から小径中空部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）。

次に、図６（ｃ）に示すように、傘部外殻１４ａの凹部１４ｂにおける円孔１４ｅ’の開口部に、パイプ状の隔壁１５Ａを圧入するための段差部１５ｂを切削加工またはドリル加工により形成する（隔壁圧入孔形成工程）。

次に、図６（ｄ）に示すように、傘部外殻１４ａの円孔１４ｅ’および凹部１４ｂに冷却材（固体）１９をそれぞれ所定量充填する（冷却材充填工程）。冷却材（固体）１９は、常温では粘土状であることから、細い棒状にして円孔１４ｅ’に挿入できるし、環状にして傘部外殻１４ａの凹部１４ｂ内所定位置に充填することもできる。

次に、図６（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における円孔１４ｅ’の段差部１５ｂにパイプ状の隔壁１５Ａを圧入しつつ、キャップ１８を傘部外殻１４ａの凹部１４ｂの開口側内周面１４ｃに配し、キャップ１８を傘部外殻１４ａに接合する。最後に軸端部にコッタ溝１２ｃを形成する加工を施すことで、バルブ１０Ａが完成する。

この第２の実施例のバルブ１０Ａでは、小径中空部Ｓ２’が軸方向に一定の内径で形成されているので、小径中空部Ｓ２’に相当する孔を穿設する工程が１工程でよく、さらに軸端部材を軸接する工程も不要となるなど、バルブの製造工程が簡潔となる。

なお、前記した実施例では、大径中空部Ｓ１の底面と天井面間に介装されて、小径中空部Ｓ２を大径中空部Ｓ１の底面（バルブ傘表の裏側）まで延長するとともに、小径中空部Ｓ２を大径中空部Ｓ１に対し分離するパイプ状の隔壁が、円パイプ状の隔壁１５，１５Ａで構成されているが、軸方向に伸縮できる蛇腹構造のパイプ状の隔壁で構成し、大径中空部Ｓ１の底面と天井面間に軸方向に圧縮された形態に介装するようにしてもよい。

１０，１０Ａ 中空ポペットバルブ
１１，１１Ａ 傘部外殻と軸部を一体的に形成したバルブ中間部材であるシェル
１２ バルブ軸部
１２ａ 軸部
１２ｂ 軸端部材
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（凹部のテーパ形状内周面）
１５，１５Ａ 円パイプ状の隔壁
１５ａ，１５ｂ 隔壁圧入用の段差部
１７ 小径中空部内の段差部
１８ キャップ
１８ａ バルブ傘表
１９ 冷却材
Ｌ バルブの中心軸線
Ｓ１ 円錐台形状の大径中空部
Ｓ２ 直線状の小径中空部
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
Ｆ９，Ｆ１０ 乱流

Claims (3)

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、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して連通する直線状の小径中空部が設けられ、
   前記大径中空部の底面と天井面間に、前記小径中空部を大径中空部の底面（バルブ傘表の裏側）まで延長して、該小径中空部を前記大径中空部に対し分離するパイプ状の隔壁が介装されるとともに、分離された両中空部には、不活性ガスとともに冷却材がそれぞれ装填されて、前記バルブが軸方向に往復動作する際に、前記大径中空部内の冷却材にバルブの中心軸線周りに内回りのタンブル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. 前記小径中空部を画成するバルブ軸部の内周面と前記パイプ状の隔壁の内周面が面一に構成さ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。

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