KR101358692B1 - 중공 포펫 밸브 - Google Patents

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KR101358692B1
KR101358692B1 KR1020137022679A KR20137022679A KR101358692B1 KR 101358692 B1 KR101358692 B1 KR 101358692B1 KR 1020137022679 A KR1020137022679 A KR 1020137022679A KR 20137022679 A KR20137022679 A KR 20137022679A KR 101358692 B1 KR101358692 B1 KR 101358692B1
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valve
diameter hollow
hollow
large diameter
umbrella
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KR1020137022679A
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Inventor
히로키 오누마
진 하세가와
Original Assignee
니탄 밸브 가부시키가이샤
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Abstract

열기 빼기 효과를 개선할 수 있는 중공 포펫 밸브를 제공한다.
축단부에 우산부(14)를 일체적으로 형성한 포펫 밸브의 우산부(14)로부터 축부(12)에 걸쳐 중공부(S)가 형성되고, 중공부(S)에 불활성 가스와 함께 냉각재(19)가 장전된 중공 포펫 밸브(10)로, 우산부(14) 내에 설치한 대략 원반 형상의 대직경 중공부(S1)와 축부(12) 내에 설치한 직선 형상의 소직경 중공부(S2)가 대략 직교하도록 연통하여, 축 방향으로 왕복 동작하는 밸브(10)의 적어도 대직경 중공부(S1) 내의 냉각재(19)에, 밸브의 중심축선(L)의 둘레에 종방향 내측 회전의 순환류(대류)가 형성되어, 열기 빼기 효과가 높아진다.

Description

중공 포펫 밸브{HOLLOW POPPET VALVE}
포펫 밸브의 우산부로부터 축부에 걸쳐 형성된 중공부에 냉각재가 장전된 중공 포펫 밸브에 관한 것이다.
하기 특허문헌 1, 2 등에는 축단부에 우산부를 일체적으로 형성한 포펫 밸브의 우산부로부터 축부에 걸쳐 중공부가 형성되고, 밸브의 모재보다 열전도율이 높은 냉각재(예를 들면, 금속 나트륨, 융점 약 98℃)가 불활성 가스와 함께 중공부에 장전된 중공 포펫 밸브가 기재되어 있다.
밸브의 중공부는 우산부 내로부터 축부 내로 연장되어 있고, 그만큼 많은 양의 냉각재를 중공부에 장전할 수 있으므로, 밸브의 열전도성(이하, 밸브의 열기 빼기 효과라고 함)을 높일 수 있다.
즉, 엔진의 구동에 의해 연소실은 고온이 되지만, 연소실의 온도가 지나치게 높으면, 노킹이 발생하여 소정의 엔진 출력이 얻어지지 않고, 연비의 악화(엔진의 성능의 저하)로 이어진다. 그래서, 연소실의 온도를 낮추기 위해서, 연소실에서 발생하는 열을 밸브를 통하여 적극적으로 열전도시키는 방법(밸브의 열기 빼기 효과를 높이는 방법)으로서, 냉각재를 불활성 가스와 함께 중공부에 장전한 각종 중공 밸브가 제안되어 있다.
WO 2010/041337 일본 공개특허공보 2011-179328
종래의 냉매 포함 중공 포펫 밸브에서는, 우산부 내의 원반 형상 대직경 중공부와 축부 내의 직선 형상 소직경 중공부 사이의 연통부가 매끄러운 곡선 영역(내경이 서서히 변하는 천이 영역)으로 구성되어 있지만, 이 연통부가 매끄럽게 연속되는 형상인 것으로, 밸브의 개폐 동작(밸브의 축 방향으로의 왕복 동작)시에 냉각재(액체)가 봉입 가스와 함께 대직경 중공부와 소직경 중공부 사이를 원활하게 이동할 수 있어, 밸브의 열기 빼기 효과가 높아진다고 생각되고 있다.
발명자는 밸브의 열기 빼기 효과를 검증하기 위해, 도 9에 나타내는 바와 같이, 중실 밸브(A), 축부에 형성한 중공부에 냉각재를 장전한 중공 밸브(B), 축부로부터 우산부에 걸쳐 형성한 중공부에 냉각재를 장전한 중공 밸브(C)의 3타입에 대해, 열기 빼기 효과를 검증하는 실험을 했더니, 도 4, 5에 나타내는 결과가 얻어졌다. 또한, 도 9에 나타내는 밸브(B, C)의 중공부에는 냉각재인 금속 나트륨이 아르곤 가스와 함께 봉입되어 있다. 또, 중공 밸브(B)는 우산부측의 축부에 설치한 중공부에 냉각재를 장전한 후에, 축단부측이 마찰 압접에 의해 일체화(부호 b1은 축접촉 위치를 나타냄)된 구조, 중공 밸브(C)는 우산부의 중공부에 냉각재를 장전한 후에, 캡이 중공부의 개구부에 용접된 구조이다.
상세하게는 밸브(A, B, C)의 각각을 자동차용 엔진에 장착하고, 소정 시간의 난기 운전(서서히 회전수를 올림)을 한 후, 소정의 회전수로 고부하 운전(스로틀 전개 운전)을 소정 시간 계속한 후에, 밸브의 표면 온도를 경도법에 의해 측정했다.
도 4는 밸브의 축 방향의 표면 온도(정확하게는 표면으로부터 0.5mm의 깊이에 있어서의 온도) 분포를 나타내는 것으로, 밸브(A, B, C)의 어느 경우도 표면 온도(T)는 우산부의 페이스면 위치로부터 서서히 올라가고, 최고 온도(Tmax)로부터 서서히 내려가는 특성을 나타낸다. 밸브(A)의 온도 분포는 필릿부의 축단측 부근이 최고 온도(Tmax)가 되고, 이 최고 온도(Tmax)를 정점으로 하는 대략 2차 곡선으로 표시된다. 밸브(B)의 온도 분포도 최고 온도(Tmax)를 정점으로 하는 대략 2차 곡선으로 표시되지만, 최고 온도(Tmax)가 되는 위치가 우산부측으로 이행함과 아울러, 밸브(A)와 비교하여 전체적으로 온도가 낮다. 밸브(C)의 온도 분포는 최고 온도(Tmax)가 되는 위치가 더욱 우산부측으로 이행함과 아울러, 밸브(B)와 비교하여 전체적으로 온도가 낮다.
상세하게는 밸브(B)와 밸브(C)에서는 페이스부 외측 근처의 온도에는 그다지 차가 없지만, 페이스부 내측 근처의 온도에 차가 남과 아울러, 온도가 감소로 돌아서는 최고 온도(Tmax) 위치는 중공 밸브(B)에서는 축부의 필릿부에 걸리는 위치에 있는 것에 대해, 중공 밸브(C)에서는 우산부와 축부 사이의 필릿부의 대략 중앙부 부근에 있다.
또, 도 5는 밸브 우산 표면(우산부 바닥면)의 직경 방향의 온도 분포를 나타내는 것으로, 밸브(A, B, C)의 어느 경우도, 밸브 우산 표면(우산부 바닥면)의 중심에 있어서의 온도(T)가 가장 높고, 우산 표면 중심으로부터 떨어짐에 따라 온도(T)가 내려가는 특성을 나타낸다. 밸브(A, B)에서는 밸브 우산 표면(우산부 바닥면)의 중심이 최고 온도(Tmax)가 되는 것에 대해, 중공 밸브(C)에서는 밸브 우산 표면(우산부 바닥면) 중앙부의 소정 범위가 최고 온도(Tmax)가 됨과 아울러, 특히 최고 온도(Tmax)가 밸브(A, B)에 비하여 크게 저하되고 있다.
이와 같이, 중실 밸브(A)보다 냉각재를 중공부에 장전한 중공 밸브(B, C) 쪽이 열기 빼기 효과(열전도성)가 우수하고, 냉각재의 장전량이 많은 중공 밸브(C)가 가장 열기 빼기 효과(열전도성)가 우수한 것을 알 수 있다.
그리고, 중공 밸브(C)가 열기 빼기 효과(열전도성)가 우수한 이유를 확인하기 위해, 중공 밸브(C)가 개폐 동작(축 방향으로 왕복 동작)할 때의 냉각재의 움직임을 컴퓨터를 사용하여 시뮬레이션 해석했더니, 대직경 중공부와 소직경 중공부 사이에서 냉각재(액체)가 원활하게 이동하고 있는 것이 확인되었다.
즉, 중공 밸브(C)에서는 대직경 중공부와 소직경 중공부 사이의 연통부가 매끄럽게 연속되는 형상이기 때문에, 밸브의 개폐 동작에 맞추어 대직경 중공부와 소직경 중공부 사이에서 냉각재(액체)가 원활하게 이동하고, 열기 빼기 효과(열전도성)를 높이고 있다고 추정된다.
여기서 발명자는 더욱 열기 빼기 효과(열전도성)를 높일 수는 없는지 생각했다.
즉, 중공 밸브(C)에서는 대직경 중공부와 소직경 중공부 사이의 연통부가 매끄럽게 연속되는 형상이기 때문에, 밸브의 개폐 동작에 맞추어 대직경 중공부와 소직경 중공부 사이에서 냉각재(액체)가 원활하게 이동할 수 있지만, 냉각재(액체)는 상층부, 중층부, 하층부가 교반되지 않고 서로 상하 관계를 유지한 상태에서 축 방향으로 이동하고 있는 것에 주목했다.
그리고, 냉각재가 교반되지 않는다는 것은 열원에 가까운 측의 냉각재 하층부에 있어서의 열이 냉각재 중층부, 상층부에 적극적으로 전달되지 않아, 열기 빼기 효과(열전도성)가 높아지지 않는 것을 의미한다.
즉, 발명자는 연통부가 매끄럽게 연속되는 형상인 중공 밸브(C)에서는 밸브의 개폐 동작(밸브 축 방향으로의 왕복 동작)시에 냉각재(액체)가 연통부를 원활하게 이동할 수 있어, 확실히 밸브의 열기 빼기 효과가 개선되고 있지(도 4, 5 참조)만, 「매끄럽게 연속되는 형상의 연통부」는 냉각재의 축 방향으로의 원활한 이동을 가능하게 하기 때문에, 냉각재의 교반이 방해되어(억제되어), 본래는 더욱 높아질 밸브의 열기 빼기 효과가 충분히 높아지지 않는 것이 아닐까하고 생각했다.
그리고, 발명자는 적어도 대직경 중공부 내의 냉각재에 대류가 형성되면, 중공부 내 전체의 냉각재에 순환류가 형성되어, 냉각재의 상층부, 중층부, 하층부가 서로 혼합되도록 교반되어, 열기 빼기 효과(열전도성)가 현저하게 개선되는 것이 아닐까하고 생각했다.
구체적으로는 우산부 내에 설치한 원반 형상의 대직경 중공부와 축부 내에 설치한 봉 형상의 소직경 중공부를 대략 직교하도록 연통시켜, 대직경 중공부에 있어서의 소직경 중공부의 개구 둘레가장자리부를 밸브의 중심축선에 대하여 대략 직교하는 평면으로 구성했다(대직경 중공부의 소직경 중공부와의 연통부에 차양 형상의 환 형상 단차부를 형성한 구조의) 중공 밸브에 대해서, 이 중공 밸브를 개폐 동작(축 방향으로 왕복 동작)할 때의 냉각재의 움직임을 컴퓨터를 사용하여 시뮬레이션 해석했더니, 축 방향으로 왕복 동작하는 밸브의 대직경 중공부 내의 냉각재에 밸브의 중심축선의 둘레에 종방향 내측 회전의 순환류(대류)가 형성되는 것이 확인되었다.
그래서, 상기한 구조의 중공 밸브를 시작(試作)하여, 밸브(A, B, C)에 대하여 행한 시험과 마찬가지의 방법으로, 자동차용 엔진을 고부하 운전(스로틀 전개 운전)한 후의 중공 밸브의 표면 온도를 측정했더니, 중공 밸브(C)보다 열기 빼기 효과가 우수한 것이 확인되었다.
이와 같이, 우산부 내에 설치한 원반 형상의 대직경 중공부와 축부 내에 설치한 직선 형상의 소직경 중공부를 대략 직교하도록 연통시켜, 대직경 중공부에 있어서의 소직경 중공부의 개구 둘레가장자리부를 밸브의 중심축선에 대하여 대략 직교하는 평면으로 구성한 구조로 하면, 대직경 중공부 내의 냉각재에 순환류(대류)가 형성되어, 연통부가 매끄럽게 연속되는 형상인 종래의 중공 밸브(C)에 비해, 분명히 열전달 효율이 올라간다(열기 빼기 효과가 올라간다)는 결과가 얻어진 것에 따라, 이번 출원에 이른 것이다.
본 발명은 선행문헌에 대한 발명자의 상기한 지견에 기초하여 이루어진 것으로, 그 목적은 열기 빼기 효과를 현격히 개선할 수 있는 중공 포펫 밸브를 제공하는 것에 있다.
상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명(청구항 1)에 따른 중공 포펫 밸브에 있어서는, 축단부에 우산부를 일체적으로 형성한 포펫 밸브의 우산부로부터 축부에 걸쳐 중공부가 형성되고, 상기 중공부에 불활성 가스와 함께 냉각재가 장전된 중공 포펫 밸브에 있어서,
상기 우산부 내에는 이 우산부의 외형에 따른 테이퍼 형상의 외주면을 구비한 원추대 형상의 대직경 중공부를 설치하고, 상기 축부 내에는 상기 원추대 형상의 대직경 중공부의 천정면에 직교하도록 연통하는 직선 형상의 소직경 중공부를 설치하고, 상기 대직경 중공부의 천정면을 형성하는 상기 소직경 중공부의 상기 대직경 중공부로의 개구 둘레가장자리부를, 상기 밸브의 중심축선에 대해 직교하는 평면으로 구성하여, 즉, 연통부에 차양 형상의 환 형상 단차부를 형성하여, 상기 밸브가 축 방향으로 왕복 동작할 때에, 상기 대직경 중공부 내의 냉각재에 상기 밸브의 중심축선 둘레에 종방향 내측 회전의 순환류(대류)가 형성되도록 구성했다.
(작용) 밸브가 밸브 폐쇄 상태로부터 밸브 개방 상태로 이행할 때(밸브가 하강할 때)에는, 도 2(a)에 나타내는 바와 같이, 중공부 내의 냉각재(액체)에는 관성력이 상방향으로 작용한다. 그리고, 대직경 중공부 중앙부의 냉각재에 작용하는 관성력(상방향)이 대직경 중공부 주변 영역의 냉각재에 작용하는 관성력보다 크기 때문에, 대직경 중공부 내의 냉각재가 연통부를 통하여 소직경 중공부로 이동하고자 한다. 그러나, 연통부에는 차양 형상의 환 형상 단차부가 형성되어 있기 때문에, 바꾸어 말하면, 대직경 중공부의 천정면(대직경 중공부에 있어서의 소직경 중공부의 개구 둘레가장자리부)이 밸브의 중심축선에 대하여 직교하는 평면으로 구성되어 있기 때문에, 냉각재는 연통부가 매끄러운 형상으로 형성되어 있는 종래의 중공 밸브(C)와 같이 원활하게 소직경 중공부로 이동할 수 없다.
즉, 대직경 중공부 내의 냉각재에는 상방향의 관성력이 작용함으로써, 도 3(a)에 나타내는 바와 같이, 환 형상 단차부(대직경 중공부의 천정면)를 따라 연통부의 중심(반경 방향 내측)을 향하는 흐름(F1, F2)이 형성된다. 그리고, 환 형상 단차부를 따라 연통부의 중심(반경 방향 내측)을 향하는 흐름(F2)끼리가 서로 충돌하여, 연통부에 있어서는, 대직경 중공부 바닥면측을 향하는 흐름(F3)과, 소직경 중공부(S2)의 상방을 향하는 흐름(F4)이 형성된다. 연통부에 있어서, 대직경 중공부 바닥면측을 향하는 흐름(F3)은 대직경 중공부 바닥면을 따라 반경 방향 바깥쪽으로부터 대직경 중공부 천정면측에 돌아 들어가고, 다시, 대직경 중공부의 천정면을 따라 연통부의 중심(반경 방향 내측)을 향하는 흐름(F1, F2)이 된다. 한편, 연통부에 있어서, 소직경 중공부의 상방을 향하는 흐름(F4, F5)은 도 3(a)에 나타내는 바와 같은 난류가 된다.
이와 같이, 대직경 중공부 내의 냉각재에는 화살표 F1→F2→F3→F1으로 나타내는 바와 같이, 밸브의 중심축선의 둘레에 종방향 내측 회전의 순환류(대류)가 형성되고, 소직경 중공부의 냉각재에서는 F4, F5로 나타내는 바와 같은 난류가 형성된다.
한편, 밸브가 밸브 개방 상태로부터 밸브 폐쇄 상태로 이행할 때(밸브가 상승할 때)는, 도 2(b)에 나타내는 바와 같이, 중공부 내의 냉각재에는 관성력이 하방향으로 작용한다. 그리고, 대직경 중공부 중앙부의 냉각재에 작용하는 관성력(하방향)이 대직경 중공부 주변 영역의 냉각재에 작용하는 관성력보다 크기 때문에, 도 3(b)에 나타내는 바와 같이, 대직경 중공부 내의 냉각재에는 대직경 중공부의 중앙부로부터 바닥면을 따라 반경 방향 바깥쪽을 향하는 흐름(F6)이 형성되고, 동시에, 소직경 중공부에 있어서도 연통부를 통과하여 하방을 향하는 흐름(난류)(F7)이 형성된다. 대직경 중공부의 바닥면을 따른 흐름(F6)은 대직경 중공부의 바깥쪽으로부터 천정면측에 돌아 들어가, 대직경 중공부(S1)의 천정면을 따른 흐름(F8)이 되고, 대직경 중공부의 중앙부에 있어서 하방을 향하는 흐름(F6, F7)에 합류한다.
즉, 대직경 중공부의 냉각재에는 화살표 F6→F8→F6로 나타내는 바와 같이, 밸브의 중심축선의 둘레에 종방향 내측 회전의 순환류(대류)가 형성되고, 소직경 중공부 내의 냉각재에는 화살표 F7으로 나타내는 바와 같은 난류가 형성된다.
이와 같이, 밸브가 개폐 동작함으로써, 밸브의 중공부 내 전체의 냉각재에, 도 3(a), (b)에 나타내는 바와 같은 순환류나 난류가 형성되어, 냉각재의 상층부, 중층부, 하층부가 적극적으로 교반되기 때문에, 밸브의 열기 빼기 효과(열전도성)가 현저하게 개선된다.
(작용) 대직경 중공부가 우산부의 외형에 따른 테이퍼 형상의 외주면을 구비한 원추대 형상으로 구성되어 있으므로, 첫번째로 대직경 중공부의 용적이 확대되는 만큼, 대직경 중공부에 다량의 냉각재를 장전할 수 있다.
두번째로는 소직경 중공부와의 연통부가 설치되어 있는 대직경 중공부의 천정면(원추대의 상면)과 대직경 중공부의 외주면(원추대의 외주면)이 둔각을 이루므로, 밸브가 개폐 동작할 때에, 대직경 중공부의 반경 방향 바깥쪽으로부터 대직경 중공부의 천정면을 따라 연통부를 향하는 냉각재의 흐름(도 3(a)의 F1, F2 및 도 3(b)의 F8)이 원활하게 되는 만큼, 대직경 중공부 내의 냉각재에 형성되는 종방향 내측 회전의 순환류(대류)가 활발해진다.
또, 이러한 종류의 중공 밸브는, 예를 들면, 우산부 외피의 내측에 대직경 중공부에 상당하는 오목부를 금형에 의해 단조(성형)하는 단조 공정, 오목부의 바닥면에 소직경 중공부에 상당하는 구멍을 뚫는 구멍 뚫기 공정, 우산부 외피의 오목부(중공부)에 냉각재를 장전하고, 불활성 가스 분위기하에서 우산부 외피의 오목부(개구부)에 캡을 용접하는 중공부 밀폐(냉각재 봉지) 공정을 거쳐 제조되는데, 대직경 중공부가 원추대 형상이며, 대직경 중공부의 천정면이 평면으로 구성되어 있으므로, 이하의 작용이 나타난다.
첫번째로는 단조 공정에서 사용하는 금형 선단부의 압압 성형면이 평면이 되고, 금형 선단부의 압압 성형면을 소정의 곡면이나 테이퍼면으로 가공하는 경우에 비해, 금형의 가공이 용이하다.
두번째로는 구멍 뚫기 공정에서는, 드릴 구멍 뚫기 가공을 하는 부위에 평면을 확보할 필요가 있지만, 우산부 외피 내측의 오목부의 바닥면이 평면이므로, 평면 가공을 생략할 수 있다.
세번째로는 구멍 뚫기 공정에서는, 드릴을 회전축에 일치하는 방향으로 곧바로 전진시켜 구멍을 뚫는데, 드릴의 날끝이 닿는 피가공면이 평면이며 게다가 회전축에 대하여 직교하므로, 구멍을 정확하게 뚫을 수 있다.
청구항 3에 있어서는, 청구항 1에 기재된 중공 포펫 밸브에 있어서, 상기 대직경 중공부를 상기 소직경 중공부의 개구 둘레가장자리부가 상기 원추대의 상면에 대하여 상기 밸브의 축부측에 소정 거리 오프셋하는 대략 원추대 형상으로 구성했다.
(작용) 청구항 1에서는, 대직경 중공부가 원추대 형상이며, 대직경 중공부의 천정면이 평면으로 구성되어 있으므로, 단조 공정에서 사용하는 금형 선단부의 압압 성형면이 평면이 되고, 금형 선단부의 압압 성형면을 소정의 곡면이나 테이퍼면으로 가공하는 경우에 비해, 확실히 금형의 가공은 용이하다.
그러나, 단조 공정만으로 대직경 중공부의 천정면(원추대의 상면)을 고정밀도의 평면으로 성형하는 것은 어렵고, 단조 공정에서 사용하는 금형 선단부의 압압 성형면의 마멸도 심하다.
그런데, 청구항 3에서는, 대직경 중공부의 천정면을 원추대의 상면에 대하여 밸브의 축부측으로 소정 거리(예를 들면, 단조 공정으로 성형된 우산부 외피 내측의 대략 원추대 형상 오목부의 구면 형상 바닥면을 밸브의 중심축선에 대하여 직교하는 평면으로 절삭 가공하기 위해서 필요한 거리)만큼 오프셋한 위치에 설치하도록 구성했으므로, 예를 들면, 단조 공정에서 사용하는 금형 선단부(의 압압 성형면)를 둥글게 함으로써, 금형이 마멸하기 어렵고, 단조 후에 대직경 중공부의 원형의 천정면을 절삭 가공으로 성형하기 때문에, 단조 공정에서 사용하는 금형 선단부(의 압압 성형면)의 가공 정밀도에 대한 요구도 완화되어, 금형의 가공이 보다 용이하게 되고, 대직경 중공부의 원형의 천정면(평면)의 가공 정밀도도 올라간다.
본원발명에 따른 중공 포펫 밸브에 의하면, 밸브의 개폐 동작시에, 대직경 중공부로부터 소직경 중공부에 걸친 광범위한 영역을 냉각재가 순환함으로써, 밸브의 열기 빼기 효과(열전도성)가 현저하게 개선되어, 그만큼 엔진의 성능이 향상된다.
특히, 대직경 중공부 내에 다량의 냉각재를 장전할 수 있음과 아울러, 밸브가 개폐 동작할 때에, 대직경 중공부 내의 냉각재에 형성되는 종방향 내측 회전의 순환류(대류)가 활발해지므로, 밸브의 열기 빼기 효과(열전도성)가 한층 개선되어 엔진의 성능이 더욱 향상된다.
또, 소직경 중공부가 연통하는 대직경 중공부의 천정면이 평면이므로, 우산부 외피의 내측에 대직경 중공부의 천정면을 단조(성형)하는 금형 선단부(의 압압 성형면)의 가공이 용이하며, 게다가 천정면 중앙에 개구하는 소직경 중공부를 축부에 뚫는 구멍 뚫기 공정도 용이해지므로, 그만큼 밸브 1개당 제조 비용을 저감할 수 있다.
청구항 3에 따른 중공 포펫 밸브에 의하면, 대직경 중공부를 가공할 때에 일정한 가공 정밀도가 보증되므로, 제조되는 각 밸브에 있어서의 열기 빼기 효과(열전도성)의 균일화가 가능해진다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예인 중공 포펫 밸브의 종단면도이다.
도 2는 상기 중공 포펫 밸브가 축 방향으로 왕복 동작할 때의 중공부 내의 냉각재에 작용하는 관성력을 나타내는 도면으로, (a)는 밸브 개방 동작(하강 동작)시의 냉각재에 작용하는 관성력을 나타내는 단면도, (b)는 밸브 폐쇄 동작(상승 동작)시의 냉각재에 작용하는 관성력을 나타내는 단면도이다.
도 3은 상기 중공 포펫 밸브가 개폐 동작(축 방향으로 왕복 동작)할 때의 중공부 내의 냉각재의 움직임을 확대하여 나타내는 도면으로, (a)는 밸브 폐쇄 상태로부터 밸브 개방 상태로 이행할 때의 냉각재의 움직임을 나타내는 도면이며, (b)는 밸브 개방 상태로부터 밸브 폐쇄 상태로 이행할 때의 냉각재의 움직임을 나타내는 도면이다.
도 4는 상기 중공 포펫 밸브의 표면 온도의 축 방향에 있어서의 온도 분포를 나타내는 도면이다.
도 5는 상기 중공 포펫 밸브의 우산 표면(우산부 바닥면)의 표면 온도의 직경 방향에 있어서의 온도 분포를 나타내는 도면이다.
도 6은 중공 포펫 밸브의 제조 공정을 나타내는 도면으로, (a)는 스웨이징 단조(또는 압출 단조)에 의해 축단부에 우산부 외피를 성형하는 단조 공정을 나타내는 도면, (b)는 우산부 외피의 오목부 바닥면(대직경 중공부의 천정면)으로부터 축부에 걸쳐 소직경 중공부에 상당하는 구멍을 뚫는 구멍 뚫기 공정을 나타내는 도면, (c)는 우산부 외피의 오목부(중공부)로부터 냉각재를 장전하는 냉각재 장전 공정을 나타내는 도면, (d)는 불활성 가스 분위기하에서 우산부 외피의 오목부(대직경 중공부)의 개구부에 캡을 용접하는 캡 용접 공정(중공부 밀폐 공정)을 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예인 중공 포펫 밸브의 주요부 횡단면도이다.
도 8은 중공 포펫 밸브의 제조 공정의 주요부를 나타내는 도면으로, (a)는 축단부에 우산부 외피를 성형하는 단조 공정을 나타내는 도면, (b)는 우산부 외피의 오목부 바닥면을 절삭하는 절삭 공정 및 축부에 소직경 중공부에 상당하는 구멍을 뚫는 구멍 뚫기 공정을 나타내는 도면이다.
도 9는 종래의 중실 포펫 밸브 및 중공 포펫 밸브의 종단면을 나타내는 도면이다.
다음에 본 발명의 실시형태를 실시예에 기초하여 설명한다.
도 1~도 5는 본 발명의 제1 실시예인 내연 기관용의 중공 포펫 밸브를 나타낸다.
이들 도면에 있어서, 부호 10은 곧바로 연장되는 축부(12)의 일단측에 외경이 서서히 커지는 R형상의 필릿부(13)를 통하여 우산부(14)가 일체적으로 형성된 내열 합금제의 중공 포펫 밸브로, 우산부(14)의 외주에는 테이퍼 형상의 페이스부(16)가 설치되어 있다.
상세하게는 축부(12)의 일단부에 우산부 외피(14a)가 일체적으로 형성된 축 일체형 셸(이하, 간단히 셸이라고 함)(11)(도 6 참조)과, 우산부 외피(14a)의 원추대 형상의 오목부(14b)에 있어서의 개구부(14c)에 용접된 원반 형상의 캡(18)에 의해, 우산부(14)로부터 축부(12)에 걸쳐 중공부(S)가 설치된 중공 포펫 밸브(10)가 구성되고, 중공부(S)에는 금속 나트륨 등의 냉각재(19)가 아르곤 가스 등의 불활성 가스와 함께 장전되어 있다. 냉각재(19)는 예를 들면 중공부(S)의 용적의 대략 절반(약1/2~약3/5)의 양이 봉입되어 있다.
또한, 도 1에 있어서의 부호 2는 실린더 헤드이며, 부호 6은 연소실(4)로부터 연장되는 배기 통로이며, 배기 통로(6)의 연소실(4)로의 개구 둘레가장자리부에는 밸브(10)의 페이스부(16)가 맞닿을 수 있는 테이퍼면(8a)을 구비한 원환 형상의 밸브 시트(8)가 설치되어 있다. 부호 3은 실린더 헤드(2)에 설치된 밸브 삽입통과 구멍이며, 밸브 삽입통과 구멍(3)의 내주면에는 밸브(10)의 축부(12)가 슬라이딩 접촉하는 밸브 가이드(3a)가 배열설치되어 있다. 부호 9는 밸브(10)를 밸브 폐쇄 방향으로 가압하는 밸브 스프링이다.
또, 중공부(S)는 우산부(14) 내에 설치된 원추대 형상의 대직경 중공부(S1)와, 축부(12) 내에 설치된 직선 형상(봉 형상)의 소직경 중공부(S2)가 직교하도록 연통하는 구조로, 대직경 중공부(S1)의 원형 천정면(소직경 중공부(S1)의 개구 둘레가장자리부인 우산부 외피(14a)(도 6 참조)의 원추대 형상의 오목부(14b)의 바닥면)(14b1)은 밸브(10)의 중심축선(L)에 대하여 직교하는 평면으로 구성되어 있다.
즉, 대직경 중공부(S1)에 있어서의 소직경 중공부(S2)와의 연통부(P)에는 선행문헌 1, 2와 같은 매끄러운 형상 대신에, 대직경 중공부(S1)측에서 보아 차양 형상의 환 형상 단차부(15)가 형성되어 있고, 이 환 형상 단차부(15)의 대직경 중공부(S1)에 면하는 측(면)(14b1)이 밸브(10)의 중심축선(L)에 대하여 직교하는 평면으로 구성되어 있다. 바꾸어 말하면, 소직경 중공부(S1)의 개구 둘레가장자리부(우산부 외피(14a)의 원추대 형상의 오목부(14b)의 바닥면)(14b1)와, 소직경 중공부(S1)의 내주면에 의해 차양 형상의 환 형상 단차부(15)가 구획형성되어 있다.
이 때문에, 나중에 상세하게 설명하지만, 밸브(10)가 개폐 동작할 때에, 대직경 중공부(S1) 내의 냉각재(19)에는, 도 3(a), (b)의 화살표로 나타내는 바와 같이, 횡방향 내측 회전의 순환류(대류)가 형성되고, 동시에, 소직경 중공부(S2) 내의 냉각재(19)에도 난류가 형성된다. 즉, 밸브(10)의 개폐 동작시에 중공부(S) 내 전체의 냉각재(19)에 형성되는 대류(순환류)나 난류에 의해, 중공부(S) 내의 냉각재(19)의 하층부, 중층부, 상층부가 적극적으로 교반되게 되어, 밸브(10)에 있어서의 열기 빼기 효과(열전도성)가 대폭 개선되어 있다.
다음에, 밸브(10)가 개폐 동작할 때의 냉각재의 움직임을 도 2, 3에 기초하여 상세하게 설명한다.
밸브(10)가 밸브 폐쇄 상태로부터 밸브 개방 상태로 이행할 때(밸브(10)가 하강할 때)는 도 2(a)에 나타내는 바와 같이 중공부(S) 내의 냉각재(액체)(19)에 관성력이 상방향으로 작용한다. 그리고, 대직경 중공부(S1) 중앙부의 냉각재(19)에 작용하는 관성력(상방향)이 대직경 중공부(S1) 주변 영역의 냉각재(19)에 작용하는 관성력보다 크기 때문에, 대직경 중공부(S1) 내의 냉각재(19)가 연통부(P)를 통하여 소직경 중공부(S2)로 이동하고자 한다. 그러나, 연통부(P)에는 차양 형상의 환 형상 단차부(15)가 형성되어 있기 때문에, 연통부가 매끄러운 형상으로 형성되어 있는 종래의 중공 밸브(C)와 같이 원활하게 소직경 중공부(S2)측으로 이동할 수 없다.
즉, 대직경 중공부(S1) 내의 냉각재(19)에는 상방향의 관성력이 작용함으로써, 도 3(a)에 나타내는 바와 같이, 원환 형상의 단차부(15)(대직경 중공부(S1)의 천정면(14b1))을 따라 연통부(P)의 중심(반경 방향 내측)을 향하는 흐름(F1, F2)이 형성된다. 그리고, 환 형상 단차부(15)를 따라 연통부(P)의 중심(반경 방향 내측)을 향하는 흐름(F2) 끼리가 서로 충돌하여, 연통부(P)에 있어서는, 대직경 중공부(S1) 바닥면측을 향하는 흐름(F3)과, 소직경 중공부(S2)의 상방을 향하는 흐름(F4)이 형성된다.
연통부(P)에 있어서, 대직경 중공부(S1) 바닥면측을 향하는 흐름(F3)은 대직경 중공부(S1) 바닥면을 따라 반경 방향 바깥쪽으로부터 대직경 중공부(S1) 천정면에 돌아 들어가고, 다시, 대직경 중공부(S1)의 천정면을 따라 연통부(P)의 중심(반경 방향 내측)을 향하는 흐름(F1, F2)이 된다. 한편, 연통부(P)에 있어서, 소직경 중공부(S2)의 상방을 향하는 흐름(F4, F5)은 도 3(a)에 나타내는 바와 같은 난류가 된다.
이와 같이, 대직경 중공부(S1) 내의 냉각재(19)에는 화살표 F1→F2→F3→F1으로 나타내는 바와 같이 밸브(10)의 중심축선(L)의 둘레에 종방향 내측 회전의 순환류(대류)가 형성되고, 소직경 중공부(S2) 내의 냉각재(19)에는 F4, F5로 나타내는 바와 같은 난류가 형성된다.
한편, 밸브(10)가 밸브 개방 상태로부터 밸브 폐쇄 상태로 이행할 때(밸브(10)가 상승할 때)는 도 2(b)에 나타내는 바와 같이 중공부(S) 내의 냉각재(19)에는 관성력이 하방향으로 작용한다. 그리고, 대직경 중공부(S1) 중앙부의 냉각재(19)에 작용하는 관성력(하방향)이 대직경 중공부(S1) 주변 영역의 냉각재(19)에 작용하는 관성력보다 크기 때문에, 도 3(b)에 나타내는 바와 같이, 대직경 중공부(S1) 내의 냉각재(19)에는 대직경 중공부(S1)의 중앙부로부터 바닥면을 따라 반경 방향 바깥쪽을 향하는 흐름(F6)이 형성되고, 동시에, 소직경 중공부(S2)에 있어서도 연통부(P)를 통과하여 하방을 향하는 흐름(난류)(F7)이 형성된다. 대직경 중공부(S1)의 바닥면을 따른 흐름(F6)은 대직경 중공부(S1)의 바깥쪽으로부터 천정면측에 돌아 들어가, 대직경 중공부(S1)의 천정면을 따른 흐름(F8)이 되고, 대직경 중공부(S1)의 중앙부(연통부(P))에 있어서 하방을 향하는 흐름(F6, F7)에 합류한다.
즉, 대직경 중공부(S1) 내의 냉각재(19)에는 화살표 F6→F8→F6로 나타내는 바와 같이, 밸브(10)의 중심축선(L)의 둘레에 종방향 내측 회전의 순환류(대류)가 형성되고, 소직경 중공부(S2) 내의 냉각재(19)에는 화살표 F7으로 나타내는 바와 같은 난류가 형성된다.
특히, 본 실시예에서는 대직경 중공부(S1)가 원추대 형상으로 형성되고, 상세하게는 대직경 중공부(S1)의 외주면인 우산부 외피(14a)의 오목부(14b)에 있어서의 내주면(14b2)이 우산부(14)(우산부 외피(14a))의 페이스부(16)로부터 필릿 영역(13)으로 연장되는 부분(14d)(도 1 참조)의 외형에 대략 따른 테이퍼 형상으로 형성되어 있으므로, 첫번째로는 대직경 중공부(S1)의 용적을 크게 할 수 있는 만큼, 대직경 중공부(S1)에 다량의 냉각재(19)를 장전할 수 있다.
두번째로는 대직경 중공부(S1)의 원형의 천정면(원추대의 상면)(14b1)과 그 외주면(원추대의 외주면)(14b2)이 둔각을 이루므로, 밸브(10)가 개폐 동작할 때에, 대직경 중공부(S1)의 반경 방향 바깥쪽으로부터 대직경 중공부(S1)의 천정면을 따라 연통부(P)를 향하는 냉각재(19)의 흐름(도 3(a)의 F1, F2 및 도 3(b)의 F8)이 원활하게 되는 만큼, 대직경 중공부(S2) 내의 냉각재(19)에 형성되는 종방향 내측 회전의 순환류(대류)가 활발해진다.
이와 같이, 밸브(10)가 개폐 동작함으로써, 밸브(10)의 중공부(S) 내 전체의 냉각재(19)에, 도 3(a), (b)에 나타내는 바와 같은 순환류나 난류가 형성되어, 냉각재(19)의 상층부, 중층부, 하층부가 적극적으로 교반되기 때문에, 밸브(10)의 열기 빼기 효과(열전도성)가 현격히 향상되게 된다.
도 4는 중공 포펫 밸브(10)의 표면 온도의 축 방향의 온도 분포 특성을, 도 5는 중공 포펫 밸브(10)의 우산 표면(우산부 바닥면)의 표면 온도의 직경 방향의 온도 분포 특성을, 각각 종래 공지의 중실 밸브(A), 축부에 형성한 중공부에 냉각재를 장전한 중공 밸브(B), 축부로부터 우산부에 걸쳐 형성한 중공부에 냉각재를 장전한 중공 밸브(C)의 온도 분포 특성과 비교하여 나타내는 도면으로, 도 4, 5에 있어서, 밸브의 형상(외형)을 일점쇄선으로 나타내고 있다.
도 4에 있어서, 밸브(10)의 온도 분포 특성(X)은 종래의 밸브(A, B, C)와 마찬가지로 연소실에 가까운 우산부(14)의 페이스부(16) 위치로부터 서서히 온도(T)가 올라가고, 최고 온도(Tmax)로부터 온도(T)가 서서히 내려가는 특성을 나타내는데, 최고 온도(Tmax) 위치는 종래의 밸브(A, B, C) 중에서 가장 방열성(열기 빼기 효과)이 우수한 밸브(C)의 최고 온도(Tmax) 위치보다, 밸브 우산부 근처가 됨과 아울러, 밸브(10)의 축 방향에 있어서의 표면 온도 전체가 밸브(C)에 비해 낮고, 우산부(14)의 페이스부(16)에 있어서의 표면 온도도 밸브(C)에 비해 상당히 낮다. 이와 같이, 밸브(10)에서는 종래의 중공 밸브(C)보다 열기 빼기 효과(방열성)가 우수한 것을 알 수 있다.
특히, 최고 온도(Tmax) 위치로부터 밸브 축단에 걸쳐 저하되는 표면 온도에 대해서는, 밸브(C)에서는 상방으로 볼록한 특성을 나타낸 후에, 대략 직선적으로 저하하는 것에 대해, 밸브(10)에서는 최고 온도(Tmax) 위치로부터 밸브 축단에 걸쳐 대략 직선적으로 저하하고 있다.
즉, 종래의 밸브(A, B, C)에서는 모두 대략 2차 곡선으로 온도가 추이하는 것에 대해, 밸브(10)에서는 최고 온도(Tmax)의 위치로부터 대략 직선적으로 온도가 저하하는 점에 특징이 있다. 이것은 냉각재(19)의 상층부, 중층부, 하층부가 적극적으로 교반됨으로써, 중공부(S) 내의 냉각재(19)가 대직경 중공부(S1)에 있어서 연소실(4)로부터 받은 열을 소직경 중공부(S2)를 통하여 밸브 축단측으로 확실하게 열 이동시키고 있는 것을 나타내고 있다.
또, 밸브(10)가 밸브 시트(8)에 착좌할 때의 최대 충격 응력은 R형상 필릿부(13)의 축단측 부근(부호 X2로 나타내는 위치)에 작용하는 것이 실기 및 시뮬레이션 해석으로 확인되고 있지만, 밸브(10)에서는 밸브(A, B, C)와 비교하여, 최고 온도(Tmax)가 가장 낮고, 또한 최고 온도(Tmax) 위치와 최대 충격 응력 작용 위치(X2) 사이의 거리(ΔX)가 가장 긴 점에서, 열에 의한 피로 강도의 저하를 억제함에 있어서 유효하다.
또, 밸브 우산 표면(우산부 바닥면)의 표면 온도를 나타내는 도 5로부터는, 종래의 밸브(A, B, C) 중에서 가장 방열성이 우수한 밸브(C)에 비해, 밸브(10)에서는 밸브 우산 표면(우산부 바닥면) 전체의 표면 온도가 현저하게 낮은 점에서, 밸브 우산 표면(우산부 바닥면)에 있어서의 열기 빼기 효과(열전도성)도 우수하다.
또, 연소압이 밸브 우산 표면(우산부 바닥면)에 작용할 때나, 밸브(10)가 밸브 시트(8)에 착좌할 때에는, 이들(연소압이나 착좌 동작)에 기인한 최대 응력이 밸브 우산 표면(우산부 바닥면)의 중심부에 작용하는 것이 실기 및 시뮬레이션 해석으로 확인되고 있지만, 밸브(10)에서는 밸브(A, B, C)와 비교하여, 밸브 우산 표면(우산부 바닥면)의 중심부와 둘레가장자리부 사이의 온도차(ΔT)가 작은 점에서, 우산 표면 중심부에서 생기는 응력에 대하여, 열에 의한 피로 강도의 저하를 억제함에 있어서 유효하다.
다음에, 중공 포펫 밸브(10)의 제조 공정을, 도 6에 기초하여 설명한다.
우선, 도 6(a)에 나타내는 바와 같이, 열간 단조에 의해, 원추대 형상의 오목부(14b)를 설치한 우산부 외피(14a)와 축부(12)를 일체적으로 형성한 셸(11)을 성형한다. 우산부 외피(14a)에 있어서의 원추대 형상의 오목부(14b)의 바닥면(14b1)은 축부(12)(셸(11)의 중심축선(L))에 대하여 직교하는 평면으로 형성되어 있다.
열간 단조 공정으로서는 금형을 순차 교체하는 압출 단조이며, 내열 합금제 금속 블록으로부터 셸(11)을 제조하는 압출 단조, 또는 업세터에서 내열 합금제 금속 봉재의 단부에 봉형상부를 스웨이징한 후에, 금형을 사용하여 셸(11)(의 우산부 외피(14a))을 단조하는 스웨이징 단조의 어느 것이어도 된다. 또한, 열간 단조 공정에 있어서, 셸(11)의 우산부 외피(14a)와 축부(12) 사이에는 R형상 필릿부(13)가 형성되고, 우산부 외피(14a)의 외주면에는 테이퍼 형상 페이스부(16)가 형성된다.
다음에, 필요에 따라서, 셸(11)에 열 처리(시효 처리나 용체화 처리 등의 내열 강도나 기계적 강도를 올리기 위한 열 처리)를 시행하여, 우산부 외피(14a) 및 축부(12)에 있어서의 내열 강도 및 기계적 강도를 높인 후, 도 6(b)에 나타내는 바와 같이, 우산부 외피(14a)의 오목부(14b)가 상방향이 되도록 셸(11)을 배치하고, 우산부 외피(14a)의 오목부(14b)의 바닥면(14b1)으로부터 축부(12)에 걸쳐 소직경 중공부(S2)에 상당하는 구멍(14e)을 드릴 가공에 의해 뚫는다(구멍 뚫기 공정).
구멍 뚫기 공정에 의해, 대직경 중공부(S1)를 구성하는 우산부 외피(14a)의 오목부(14b)와, 소직경 중공부(S2)를 구성하는 축부(12)측의 구멍(14e)이 연통함으로써, 오목부(14b)와 구멍(14e)의 연통부에는 오목부(14b)측으로부터 보아 차양 형상의 환 형상 단차부(15)가 형성된다.
다음에, 도 6(c)에 나타내는 바와 같이, 셸(11)의 우산부 외피(14a)의 오목부(14b)의 구멍(14e)에 냉각재(고체)(19)를 소정량 삽입한다(냉각재 장전 공정).
마지막으로 도 6(d)에 나타내는 바와 같이, 아르곤 가스 분위기하에서, 셸(11)의 우산부 외피(14a)의 오목부(14b)의 개구부(14c)에 캡(18)을 용접(예를 들면, 저항 용접)하여, 밸브(10)의 중공부(S)를 밀폐한다(중공부 밀폐 공정). 또한, 캡(18)의 용접은 저항 용접 대신에 전자 빔 용접이나 레이저 용접 등을 채용해도 된다.
이와 같이, 본 실시예의 밸브(10)에서는 소직경 중공부(S2)가 연통하는 대직경 중공부(S1)의 천정면(14b1)(차양 형상의 단차부(15))이 밸브(10)의 중심축선(L)에 대하여 대략 직교하는 평면으로 구성되어 있으므로, 이하와 같은 작용 효과가 나타난다.
첫번째로는 도 6(a)에 나타내는 열간 단조 공정에서 사용하는 금형의 압압 성형면, 즉, 우산부 외피(14a)의 내측에 형성되는 오목부(14b)는 원추대 형상이며, 이 오목부(14b)를 단조(성형)하는 금형의 압압 성형면의 선단부가 평면이 되므로, 금형의 압압 성형면의 선단부를 소정의 곡면이나 테이퍼면으로 가공하는 경우에 비해 가공이 용이하다.
두번째로는 도 6(b)에 나타내는 구멍 뚫기 공정에서는 드릴 구멍 뚫기 가공을 하는 부위에 평면을 확보할 필요가 있는데, 우산부 외피(14a)의 오목부(14b)의 바닥면(14b1)이 평면이므로, 평면 가공을 생략할 수 있다.
세번째로는 도 6(b)에 나타내는 구멍 뚫기 공정에서는 드릴을 회전축에 일치하는 방향으로 곧바로 전진시켜 구멍을 뚫는데, 드릴의 날끝이 닿는 피가공면(우산부 외피(14a)의 오목부(14b)의 바닥면(14b1))이 평면이며 게다가 드릴 회전축에 대하여 직교하므로, 소정의 방향으로 정확하게 구멍(14e)를 뚫을 수 있다.
도 7, 8은 본 발명의 제2 실시예인 중공 포펫 밸브를 나타낸다.
상기한 제1 실시예의 중공 포펫 밸브(10)의 대직경 중공부(S1)가 원추대 형상으로 구성되어 있는 것에 대해, 이 제2 실시예의 중공 포펫 밸브(10A)의 대직경 중공부(S1')는 대략 원추대 형상으로 구성되어 있다.
상세하게는 중공 포펫 밸브(10)에서는 차양 형상의 환 형상 단차부(15)를 구성하는 원추대 형상의 대직경 중공부(S1)의 원형의 천정면(우산부 외피(14a)의 원추대 형상의 오목부(14b)의 바닥면)(14b1)이 밸브(10)의 중심축선(L)에 대하여 직교하는 평면으로 구성되어 있는 것에 대해, 중공 포펫 밸브(10A)에서는 도 7에 나타내는 바와 같이, 밸브(10A)의 중심축선(L)에 대하여 직교하는 평면으로 구성된 대직경 중공부(S1')의 원형의 천정면(14b3)(차양 형상의 환 형상 단차부(15))이, 제1 실시예의 원추대 형상의 대직경 중공부(S1)의 원형의 천정면(14b1)으로부터 축부(12)측으로 소정량(H)만큼 오프셋한 위치에 형성되어 있다.
그 밖의 구성은 상기한 제1 실시예에 따른 중공 포펫 밸브(10)와 동일하며, 동일한 부호를 붙임으로써, 그 중복된 설명은 생략한다.
또한, 대직경 중공부(S1')의 원형의 천정면(14b3)의 오프셋량(H)은 예를 들면, 후술하는 바와 같이 단조 공정으로 성형된 우산부 외피(14a')에 있어서의 오목부(14b')의 바닥면(14b1')을 밸브(10A)의 중심축선(L)에 대하여 직교하는 평면으로 절삭 가공하기 위해서 필요한 소정 거리이다.
바꾸어 말하면, 우산부(14) 내에 설치된 대직경 중공부(S1')는 원추대 형상의 대직경 중공부(S1)에 높이(H)의 원반 형상 중공부가 이어져 형성된 대략 원추대 형상으로 구성되어 있다. 이 때문에, 밸브(10A)의 중공부(S')의 용적은 밸브(10)의 중공부(S)의 용적보다 높이(H)의 원반 형상 중공부 상당만큼 확대되어 있고, 그만큼 중공부(S')에 장전할 수 있는 냉각재(19)의 양이 많다.
또, 중공 포펫 밸브(10A)에 있어서도, 상기한 제1 실시예의 중공 포펫 밸브(10)와 마찬가지로, 밸브(10A)가 개폐 동작할 때에, 밸브(10A)의 중공부(S') 내 전체의 냉각재(19)에는 도 3(a), (b)에 나타내는 순환류나 난류가 형성되어, 냉각재(19)의 상층부, 중층부, 하층부가 적극적으로 교반됨으로써, 열기 빼기 효과(열전달성)가 현저하게 개선된 것이 된다.
또, 중공 포펫 밸브(10A)의 제조 공정은 제1 실시예의 중공 포펫 밸브(10)의 제조 공정과 대략 동일하지만, 대략 원추대 형상의 오목부(14b')를 설치한 우산부 외피(14a')와 축부(12)를 일체적으로 형성한 셸(11)을 성형하는 열간 단조 공정 후에, 대직경 중공부(S1')의 원형의 천정면(14b3)을 절삭에 의해 성형하는 절삭 공정이 필요하게 된다.
즉, 우선, 도 8(a)에 나타내는 단조 공정에 의해, 대략 원추대 형상의 오목부(14b')를 설치한 우산부 외피(14a')와 축부(12)를 일체적으로 형성한 셸(11)을 성형한다. 오목부(14b') 단조용의 금형에는 원추대의 상단면이 구형상으로 팽출하는 대략 원추대 형상의 압압 성형부가 설치되고, 우산부 외피(14a')의 대략 원추대 형상 오목부(14b')의 바닥면(14b1')에는 압압 성형부의 구형상 팽출부에 대응하는 오목구면이 성형된다.
그 후, 필요에 따라서, 셸(11)에 열 처리를 시행하여, 우산부 외피(14a') 및 축부(12)에 있어서의 내열 강도 및 기계적 강도를 높인 후, 도 8(b)에 나타내는 절삭 공정에 의해, 우산부 외피(14a')의 대략 원추대 형상 오목부(14b')의 바닥면(14b1')을 소정량(H)만큼 절삭하여, 대직경 중공부(S1')의 원형 천정면(14b3)을 형성하기 위한 절삭 공정(도시하지 않음)을 행한다. 절삭은 예를 들면 엔드 밀을 사용하여 행함으로써, 대직경 중공부(S1')의 원형 천정면(14b3)은 밸브(10A)의 중심축선(L)에 대하여 정확하게 직교하는 평면이 된다.
계속해서, 도 8(b)에 나타내는 구멍 뚫기 공정에 의해 소직경 중공부(S2)에 상당하는 구멍을 축부(12)에 뚫은 후, 도 6(c), (d)에 나타내는 바와 같은 냉각재 장전 공정, 캡 용접 공정(중공부 밀폐 공정)을 순차 행함으로써, 밸브(10A)가 제조된다.
이와 같이, 제2 실시예의 중공 포펫 밸브(10A)에서는, 밸브(10A)의 중심축선(L)에 대하여 직교하는 평면으로 구성된, 대직경 중공부(S1')의 원형의 천정면(14b3)(차양 형상의 환 형상 단차부(15))을, 제1 실시예의 원추대 형상의 대직경 중공부(S1)의 원형의 천정면(14b1)으로부터 축부(12)측에 소정량(H)만큼 오프셋한 위치에 설치하도록 구성했으므로, 이하의 효과가 나타난다.
예를 들면, 도 8(a)에 나타내는 단조 공정에서 사용하는 금형을, 선단이 구형상으로 팽출하는 대략 원추대 형상으로 구성함으로써, 금형의 압압 성형부가 마멸하기 어렵다. 또, 단조 공정 후에, 대직경 중공부(S')의 원형의 천정면(14d3)을 절삭 가공으로 형성하기 때문에, 단조 공정에서 사용하는 금형의 압압 성형부의 가공 정밀도에 대한 요구도 완화되어, 금형의 가공이 보다 용이하게 됨과 아울러, 대직경 중공부(S')의 원형의 천정면(14d3)의 가공 정밀도도 올라간다.
이 결과, 대직경 중공부(S')를 가공할 때에 일정한 가공 정밀도가 보증되어, 제조하는 각 밸브(10A)의 우수한 열기 빼기 효과(열전도성)를 균일화할 수 있다.
10, 10A…중공 포펫 밸브
11…우산부 외피와 축부를 일체적으로 형성한 셸
12…축부
14…우산부
14a, 14a'…우산부 외피
14b, 14b'…우산부 외피 전면측의 오목부
14b1, 14b3…대직경 중공부의 원형의 천정면
14b2…우산부 외피의 원추대 형상의 오목부 내주면
15…대직경 중공부의 천정면에 있어서의 소직경 중공부의 개구 둘레가장자리부인 차양 형상의 환 형상 단차부
L…밸브의 중심축선
S, S'…중공부
S1, S1'…원반 형상 대직경 중공부
S2…직선 형상의 소직경 중공부
P…연통부
18…캡
19…냉각재

Claims (3)

  1. 축단부에 우산부를 일체적으로 형성한 포펫 밸브의 우산부로부터 축부에 걸쳐 중공부가 형성되고, 상기 중공부에 불활성 가스와 함께 냉각재가 장전된 중공 포펫 밸브에 있어서,
    상기 우산부 내에는 이 우산부의 외형에 따른 테이퍼 형상의 외주면을 구비한 원추대 형상의 대직경 중공부가 설치되고, 상기 축부 내에는 상기 원추대 형상의 대직경 중공부의 천정면에 직교하도록 연통하는 직선 형상의 소직경 중공부가 설치되고, 상기 대직경 중공부의 천정면을 형성하는 상기 소직경 중공부의 상기 대직경 중공부로의 개구 둘레가장자리부가, 상기 밸브의 중심축선에 대해 직교하는 평면으로 구성되어, 상기 밸브가 축 방향으로 왕복 동작할 때에, 상기 대직경 중공부 내의 냉각재에 상기 밸브의 중심축선 둘레에 종방향 내측 회전의 순환류(대류)가 형성되는 것을 특징으로 하는 중공 포펫 밸브.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 대직경 중공부는 상기 소직경 중공부의 개구 둘레가장자리부가 상기 원추대의 상면에 대하여 상기 밸브의 축부측에 소정 거리 오프셋하는 형상으로 구성된 것을 특징으로 하는 중공 포펫 밸브.
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