KR20150139490A - 중공 포핏 밸브 - Google Patents

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KR20150139490A
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오사무 츠네이시
아츠유키 이치미야
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니탄 밸브 가부시키가이샤
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    • F01L3/00—Lift-valve, i.e. cut-off apparatus with closure members having at least a component of their opening and closing motion perpendicular to the closing faces; Parts or accessories thereof
    • F01L3/12—Cooling of valves
    • F01L3/14—Cooling of valves by means of a liquid or solid coolant, e.g. sodium, in a closed chamber in a valve
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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Abstract

밸브의 개폐 동작에 수반해서 밸브 우산부 내의 대직경 중공부의 냉각재에 형성되는 스월류에 의해, 중공부 내의 냉각재가 교반되어 열방산 효과가 높아지는 중공 포핏 밸브를 제공한다. 축단부에 우산부(14)를 일체로 형성한 포핏 밸브의 우산부(14)로부터 축부(12)에 걸쳐 중공부(S)가 형성되고, 중공부(S)에 불활성 가스와 함께 냉각재(19)가 장전된 중공 포핏 밸브(10)이며, 우산부(14) 내의 대직경 중공부(S1)의 바닥면 또는 천장면에 스월류 형성용의 볼록부(20, 30)를 설치했다. 밸브(10)의 개폐 동작에 수반해서, 중공부(S1) 내의 냉각재(19)에 스월류(F20, F30)가 형성되고, 중공부(S1) 내의 냉각재(19)가 둘레 방향으로 교반되어, 밸브(10)의 열방산 효과가 높아진다.

Description

중공 포핏 밸브{HOLLOW POPPET VALVE}
포핏 밸브의 우산부(傘部)로부터 축부에 걸쳐 형성된 중공부에 냉각재가 장전된 중공 포핏 밸브에 관한 것으로, 특히, 밸브 우산부의 대직경 중공부와 밸브 축부의 소직경 중공부가 연통하는 중공 포핏 밸브에 관한 것이다.
하기 특허문헌 1, 2 등에는, 축단부에 우산부를 일체로 형성한 포핏 밸브의 우산부로부터 축부에 걸쳐 중공부가 형성되고, 밸브의 모재보다도 열전도율이 높은 냉각재(예를 들면, 금속 나트륨, 융점 약 98℃)가 불활성 가스와 함께 중공부에 장전된 중공 포핏 밸브가 기재되어 있다.
밸브의 중공부는 우산부 내로부터 축부 내로 뻗어 있고, 그만큼 많은 양의 냉각재를 중공부에 장전할 수 있으므로, 밸브의 열전도성(이하, 밸브의 열방산 효과라고 함)을 높일 수 있다.
즉 엔진의 구동에 의해 연소실은 고온으로 되지만, 연소실의 온도가 지나치게 높으면, 노킹이 발생하여 소정의 엔진 출력이 얻어지지 않아, 연비의 악화(엔진의 성능의 저하)로 이어진다. 그래서, 연소실의 온도를 내리기 위하여, 연소실에서 발생하는 열을 밸브를 통하여 적극적으로 열전도시키는 방법(밸브의 열방산 효과를 높이는 방법)으로서, 냉각재를 불활성 가스와 함께 중공부에 장전한 여러 중공 밸브가 제안되었다.
WO 2010/041337 일본 공개특허공보 2011-179328
(발명의 개요)
(발명이 해결하고자 하는 과제)
종래의 냉매 함유 중공 포핏 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 형상임으로써 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 열방산 효과가 높아진다고 여겨지고 있다.
그런데, 종래 기술에서는, 밸브의 개폐 동작에 맞추어 대직경 중공부와 소직경 중공부 사이에서 냉각재(액체)가 원활하게 이동할 수 있으므로, 중공부 내의 냉각재(액체)는 상층부, 중층부, 하층부가 교반되지 않고 서로 상하 관계를 유지한 채인 상태로 축 방향으로 이동하고 있다.
이 때문에, 열원에 가까운 측의 냉각재 하층부에서의 열이 냉각재 중층부, 상층부에 적극적으로 전달되지 않아, 열방산 효과(열전도성)가 충분히 발휘되지 않는다고 하는 것을 알았다.
그래서, 발명자는, 밸브의 개폐 동작(축 방향의 왕복 동작) 시에 냉각재에 작용하는 관성력을 이용하여, 대직경 중공부 내의 냉각재에 수평 방향의 선회류(이하, 수평 방향의 선회류를 스월(swirl)류라고 함)를 형성하는 것을 생각해 냈다.
즉 밸브의 개폐 동작(축 방향의 왕복 동작) 시는, 중공부 내의 냉각재는 관성력에 의해 상하 방향으로 이동하지만, 예를 들면, 스월류 형성용의 경사면(관성력에 의해 하방으로 눌려지는 냉각재를 둘레 방향으로 안내하는 경사면)을 구비한 볼록부를 대직경 중공부의 바닥면에 설치하면, 밸브의 개폐 동작, 특히 밸브 열림 동작에 따라, 대직경 중공부 내의 냉각재가 스월류 형성용의 경사면에 눌려지고, 이 경사면을 따라 둘레 방향을 향하는 흐름이 발생하여, 냉각재의 하층부에 스월류가 형성되고, 냉각재가 교반되어, 열방산 효과가 높아진다고 생각했다.
본 발명은 전기한 종래 기술의 문제점 및 발명자의 지견에 기초하여 이루어진 것으로, 그 목적은, 밸브의 개폐 동작에 수반해서(따라) 밸브 우산부 내의 대직경 중공부의 냉각재에 형성되는 스월류에 의해, 중공부 내의 냉각재가 교반되어 열방산 효과가 개선되는 중공 포핏 밸브를 제공하는 것에 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명(청구항 1)에 따른 중공 포핏 밸브에서는, 축부의 일단측에 우산부를 일체로 형성한 포핏 밸브의 우산부로부터 축부에 걸쳐 중공부가 형성되고, 상기 중공부에 불활성 가스와 함께 냉각재가 장전된 중공 포핏 밸브에 있어서,
상기 중공부는 상기 밸브 우산부 내의 대직경 중공부와, 이 대직경 중공부의 중앙부에 연통되는 상기 밸브 축부 내의 직선 형상의 소직경 중공부를 구비하고,
상기 대직경 중공부의 바닥면 또는 천장면에, 둘레 방향을 향하여 경사지는 경사면을 구비한 스월류 형성용의 볼록부가 둘레 방향 대략 동일한 간격으로 설치되고, 상기 밸브의 개폐 동작에 수반해서, 상기 대직경 중공부 내의 냉각재에 상기 밸브의 중심 축선 주위에 스월류가 형성되도록 구성했다.
(작용)
밸브의 개폐 동작(축 방향의 왕복 동작)에 따라, 중공부 내의 냉각재에는 관성력이 작용함으로써 냉각재는 중공부 내를 축 방향으로 이동한다. 그리고, 밸브가 밸브 닫힘 상태로부터 밸브 열림 상태로 이행할 때(밸브가 하강할 때)는, 도 4(a)에 도시하는 바와 같이, 중공부 내의 냉각재(액체)에 관성력이 상향으로 작용하여, 냉각재(액체)는 대직경 중공부의 천장면을 향하여 이동하고, 대직경 중공부의 천장면에 스월류 형성용의 볼록부가 설치되어 있는 경우에는, 도 3에 도시하는 바와 같이, 냉각재가 이 볼록부의 경사면에 눌려짐으로써 이 경사면을 따른 흐름(경사면의 경사지는 방향인 둘레 방향을 향하는 흐름)(F32)이 발생하여, 대직경 중공부 내의 냉각재의 상층부에 스월류(F30)가 형성된다.
한편, 밸브가 밸브 열림 상태로부터 밸브 닫힘 상태로 이행할 때(밸브가 상승할 때)는, 도 4(b)에 도시하는 바와 같이, 중공부 내의 냉각재(액체)에 관성력이 하향으로 작용하여, 냉각재(액체)는 대직경 중공부의 바닥면을 향하여 이동하고, 대직경 중공부의 바닥면에 스월류 형성용의 볼록부가 설치되어 있는 경우에는, 도 3에 도시하는 바와 같이, 냉각재가 이 볼록부의 경사면에 눌려짐으로써 이 경사면을 따른 흐름(경사면의 경사지는 방향인 둘레 방향을 향하는 흐름)(F22)이 발생하여, 대직경 중공부 내의 냉각재의 하층부에 스월류(F20)가 형성된다.
이와 같이, 밸브의 개폐 동작(축 방향의 왕복 동작)에 따라, 대직경 중공부 내의 냉각재의 상층부 또는 하층부에 스월류가 형성되고, 대직경 중공부 내의 냉각재의 적어도 상층부 또는 하층부가 적극적으로 교반되어, 대직경 중공부 내의 냉각재에 의한 열전달이 활발하게 된다.
상세하게는, 밸브의 개폐 동작(축 방향의 왕복 동작)이 반복되면, 중공부 내의 냉각재는 불활성 가스와의 혼합 상태로 되고, 대직경 중공부 내에서는, 밸브의 개폐 동작에 수반해서 형성되는 스월류에 의해 둘레 방향으로 회전하고, 소직경 중공부 내에서도 대직경 중공부 내의 냉각재에 끌어 당겨지도록 동일 방향으로 회전한다. 그리고, 대직경 중공부 내의 냉각재에 작용하는 원심력이 소직경 중공부 내의 냉각재에 작용하는 원심력보다도 크기 때문에, 도 2에 도시하는 바와 같이, 상대적으로 압력이 저하되는 대직경 중공부를 향하여 소직경 중공부 내의 냉각재가 불활성 가스와 함께 소용돌이(F40)를 만들면서 끌려 들어간다.
이 결과, 첫 번째는 소직경 중공부로부터 대직경 중공부에 냉각재가 유입되고, 중공부 내의 냉각재의 교반이 촉진된다.
두 번째는 소직경 중공부 내의 냉각재의 액면 레벨(최상점)이 상대적으로 상승하고, 냉각재와 소직경 중공부 형성 벽과의 접촉 면적이 증가하여, 밸브 축부에서의 열전달 효율이 높아진다.
청구항 2에서는, 청구항 1에 기재된 중공 포핏 밸브에 있어서, 상기 대직경 중공부의 바닥면 및 천장면에 상기 스월류 형성용의 볼록부를 각각 설치함과 아울러, 상기 바닥면측의 볼록부의 경사면의 경사 방향과 상기 천장면측의 볼록부의 경사면의 경사 방향이 둘레 방향과 동일한 방향으로 되도록 구성했다.
(작용)
대직경 중공부 내의 냉각재는 밸브의 개폐 동작에 수반해서 형성되는 스월류에 의해 둘레 방향으로 회전하지만, 밸브가 하강할 때에 냉각재의 상층부에 형성되는 스월류와, 밸브가 상승할 때에 냉각재의 하층부에 형성되는 스월류의 둘레 방향의 방향이 각각 동일하기 때문에, 밸브의 개폐 동작(축 방향의 왕복 동작)에 따라, 대직경 중공부 내의 냉각재 전체가 동일 방향으로 적극적으로 교반되어, 대직경 중공부 내의 냉각재에 의한 열전달이 한층 더 활발하게 된다.
상세하게는, 대직경 중공부 내의 냉각재는, 밸브의 하강 동작에 의해 형성되는 스월류에 의해 둘레 방향으로 회전하고, 밸브의 상승 동작에 의해 형성되는 스월류에 의해 둘레 방향으로의 회전이 가속되는, 즉 중공부 내의 냉각재의 회전에 활기가 있어서, 상대적으로 압력이 저하되는 대직경 중공부를 향하여 소직경 중공부 내의 냉각재가 불활성 가스와 함께 소용돌이를 만들면서 확실하게 끌려 들어간다.
이 때문에, 첫 번째는 소직경 중공부로부터 대직경 중공부에 냉각재가 확실하게 유입되어, 중공부 내의 냉각재의 교반이 한층 더 촉진된다.
두 번째는, 소직경 중공부 내의 냉각재의 액면 레벨(최상점)이 상대적으로 한층 더 상승하고, 냉각재와 소직경 중공부 형성 벽과의 접촉 면적이 한층 더 증가하여, 밸브 축부에서의 열전달 효율이 더욱 높아진다.
청구항 3에서는, 청구항 1 또는 2에 기재된 중공 포핏 밸브에 있어서,
상기 스월류 형성용의 볼록부를 이 대직경 중공부의 외주면으로부터 소정 거리 떨어지도록 설치하고, 이 스월류 형성용의 볼록부의 외주에 대직경 중공부의 외주면을 따른 둥근 고리 형상(圓環狀)의 유로를 형성함과 아울러, 상기 볼록부의 경사면이 상기 유로를 향하여 경사지도록 구성했다.
(작용)
밸브의 개폐 동작(축 방향의 왕복 동작)에 따라 발생한 스월류 형성용의 볼록부의 경사면을 따른 흐름(경사면의 경사지는 방향인 둘레 방향을 향하는 흐름)은, 둘레 방향에 인접하는 스월류 형성용의 볼록부와 간섭하지 않고, 대직경 중공부의 외주면을 따른 둥근 고리 형상의 유로에 인도되어, 대직경 중공부 내의 냉각재의 하층부 또는 상층부에, 대직경 중공부의 외주면을 따른 스월류가 원활하게 형성된다.
또한, 대직경 중공부의 바닥면은, 일반적으로는, 대직경 중공부의 천장면 및 외주면을 구성하는 우산부 외각의 오목부(의 개구측 내주면)에 접합된 원반 형상의 캡으로 구성되지만, 우산부 외각과는 별체의 캡에, 단조, 절삭, 용접 등에 의해 스월류 형성용의 볼록부를 일체화하는 것은 용이하다.
청구항 4에서는, 청구항 1∼3 중 어느 하나에 기재된 중공 포핏 밸브에 있어서,
상기 대직경 중공부를, 상기 밸브 우산부의 외형을 대략 따르는 테이퍼 형상의 외주면을 구비한 대략 원추대 형상으로 형성함과 아울러, 상기 밸브 축부 내에 설치한 소직경 중공부를 상기 대직경 중공부의 천장면에 대략 직교하도록 연통하여, 상기 밸브의 개폐 동작에 수반해서, 상기 대직경 중공부 내의 냉각재에 상기 밸브의 중심 축선 주위에 텀블류가 형성되도록 구성했다.
(작용)
밸브의 개폐 동작(축 방향의 왕복 동작)에 수반해서, 중공부 내의 냉각재는 관성력에 의해 중공부 내를 축 방향으로 이동하지만, 대직경 중공부가 대략 원추대 형상으로 형성됨으로써 냉각재의 이동에 의해 대직경 중공부 내에 압력차가 생겨, 대직경 중공부 내의 냉각재에 텀블류가 형성된다.
상세하게는, 밸브가 밸브 닫힘 상태로부터 밸브 열림 상태로 이행할 때(밸브가 하강할 때)는, 도 4(a)에 도시하는 바와 같이, 직선 형상의 소직경 중공부 내에서는, 냉각재 전체가 관성력에 의해 원활하게 상방으로 이동하지만, 대직경 중공부와의 연통부에는 차양 모양의 환상 단차부(15)가 형성되어 있기 때문에, 연통부의 근방에 난류(F4)(도 5(a)참조)가 발생한다. 한편, 대직경 중공부 내에서는, 도 4(a)에 도시하는 바와 같이, 대직경 중공부 중앙 근처의 냉각재에 작용하는 관성력(상향)이 대직경 중공부 주변 영역의 냉각재에 작용하는 관성력보다도 크기 때문에, 도 5(a)에 도시하는 바와 같이, 대직경 중공부 중앙 근처로부터 천장면을 따라 반경 방향 외측을 향하는 흐름(F1)이 발생한다. 이 때, 대직경 중공부의 바닥면측에서는, 대직경 중공부 중앙 근처의 냉각재가 상방으로 이동함으로써 중앙 근처의 영역이 부압으로 되어, 반경 방향 외측으로부터 내측을 향하는 흐름(F3)이 발생하고, 이것에 따라, 대직경 중공부의 테이퍼 형상 외주면을 따라 하방을 향하는 흐름(F2)이 발생한다.
즉 대직경 중공부 내의 냉각재에는, 화살표(F1→F2→F3→F1)로 나타내는 바와 같이, 밸브의 중심 축선의 주위에 종방향 외측 순환의 선회류(이하, 외측 순환의 텀블류라고 함)(T1)가 형성된다.
또한 밸브가 밸브 열림 상태로부터 밸브 닫힘 상태로 이행할 때(밸브가 상승할 때)는, 도 4(b)에 도시하는 바와 같이, 중공부 내의 냉각재(액체)는 관성력에 의해 하방으로 이동한다. 소직경 중공부 내에서는, 밸브가 밸브 닫힘 상태로부터 밸브 열림 상태로 이행할 때에 상방으로 이동한 냉각재 전체가 원활하게 하방으로 이동하지만, 대직경 중공부와의 연통부에서 난류(F5)가 발생한다. 한편, 대직경 중공부 내에서는, 도 4(b)에 도시하는 바와 같이, 대직경 중공부 중앙 근처의 냉각재에 작용하는 관성력(하향)이 대직경 중공부 주변 영역의 냉각재에 작용하는 관성력보다도 크기 때문에, 도 5(b)에 도시하는 바와 같이, 대직경 중공부 중앙 근처로부터 바닥면을 따라 반경 방향 외측을 향하는 흐름(F6)이 발생한다. 이 때, 대직경 중공부의 천장면측에서는, 대직경 중공부 중앙 근처의 냉각재가 하방으로 이동함으로써 중앙 근처의 영역이 부압으로 되어, 반경 방향 외측으로부터 내측을 향하는 흐름(F8)이 발생하고, 이것에 따라, 대직경 중공부의 테이퍼 형상 외주면을 따라 상방을 향하는 흐름(F7)이 발생한다.
즉 대직경 중공부의 냉각재에는, 화살표(F6→F7→F8→F6)로 나타내는 바와 같이, 밸브의 중심 축선의 주위에 종방향 내측 순환의 선회류(이하, 내측 순환의 텀블류라고 함)(T2)가 형성된다.
이와 같이, 밸브의 개폐 동작에 수반해서, 밸브의 대직경 중공부 내의 냉각재에는, 도 2, 3에 도시하는 바와 같은 스월류(F20, F30)가 형성되는 것과 아울러, 도 5(a), (b)에 도시하는 바와 같은 텀블류(T1, T2)도 형성되어, 냉각재의 상층부, 중층부, 하층부가 보다 적극적으로 교반되기 때문에, 밸브의 열방산 효과(열전도성)가 현저하게 개선된다.
본원 발명에 따른 중공 포핏 밸브에 의하면, 밸브의 개폐 동작(축 방향의 왕복 동작)에 따라, 대직경 중공부 내에 스월류가 형성되어, 대직경 중공부 내의 냉각재와 함께 소직경 중공부 내의 냉각재도 둘레 방향으로 회전하여 교반되므로, 중공부 내의 냉각재에 의한 열전달이 활발하게 되어, 밸브의 열방산 효과(열전도성)가 개선되어, 엔진의 성능이 향상된다.
청구항 2에 따른 중공 포핏 밸브에 의하면, 밸브의 개폐 동작(축 방향의 왕복 동작)에 따라, 대직경 중공부 내에 활기가 있는 스월류가 형성되어, 대직경 중공부 내의 냉각재와 함께 소직경 중공부 내의 냉각재도 둘레 방향으로 활기 있게 회전하여 교반되므로, 중공부 내의 냉각재에 의한 열전달이 한층 더 활발하게 되고, 밸브의 열방산 효과(열전도성)가 더욱 개선되어, 엔진의 성능이 한층 더 향상된다.
청구항 3에 따른 중공 포핏 밸브에 의하면, 대직경 중공부 내의 냉각재의 하층부 또는 상층부에서는, 대직경 중공부의 외주면을 따른 스월류가 원활하게 형성되어, 대직경 중공부 내의 냉각재의 교반이 확실하게 촉진되므로, 중공부 내의 냉각재에 의한 열전달이 보다 활발하게 되고, 밸브의 열방산 효과(열전도성)가 확실하게 개선되어, 엔진의 성능이 향상된다.
청구항 4에 따른 중공 포핏 밸브에 의하면, 밸브의 개폐 동작에 수반해서, 대직경 중공부 내의 냉각재에는, 스월류와 더불어 텀블류도 형성되므로, 중공부 내의 냉각재 전체가 보다 적극적으로 교반되므로, 중공부 내의 냉각재에 의한 열전달이 더욱더 활발하게 되고, 밸브의 열방산 효과(열전도성)가 더욱더 개선되어, 엔진의 성능이 더욱더 향상된다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예인 중공 포핏 밸브의 종단면도이다.
도 2(a)는 동 중공 포핏 밸브의 주요부 확대 종단면도, (b)는 밸브 우산부의 수평 단면도(도 2에 나타내는 선(II-II)에 따른 단면도)이다.
도 3은 밸브 우산부의 확대 분해 사시도로, 대직경 중공부의 바닥면 및 천장면에 설치한 스월류 형성용의 볼록부를 도시하는 사시도이다.
도 4는 동 중공 포핏 밸브가 개폐 동작(축 방향으로 왕복 동작)할 때의 중공부 내의 냉각재에 작용하는 관성력을 나타내는 도면으로, (a)는 밸브의 밸브 열림 동작(하강 동작) 시의 냉각재에 작용하는 관성력을 나타내는 단면도, (b)는 밸브의 밸브 닫힘 동작(상승 동작) 시의 냉각재에 작용하는 관성력을 나타내는 단면도이다.
도 5는 동 중공 포핏 밸브가 개폐 동작(축 방향으로 왕복 동작)할 때의 중공부 내의 냉각재의 움직임을 나타내는 도면으로, (a)는 밸브가 밸브 닫힘 상태로부터 밸브 열림 상태로 이행할 때의 냉각재의 움직임을 나타내는 도면, (b)는 밸브가 밸브 열림 상태로부터 밸브 닫힘 상태로 이행할 때의 냉각재의 움직임을 나타내는 도면이다.
도 6은 동 중공 포핏 밸브의 제조 공정을 나타내는 도면으로, (a)는 밸브 중간품인 셸을 단조하는 열간 단조 공정을 나타내고, (b)는 우산부 근처 소직경 중공부에 상당하는 구멍을 축부에 뚫는 구멍 뚫기 공정을 나타내고, (c)는 축단부 근처 소직경 중공부에 상당하는 구멍을 뚫는 구멍 뚫기 공정을 나타내고, (d)는 축단 부재를 축 접속하는 축 접속 공정을 나타내고, (e)는 소직경 중공부에 냉각재를 충전하는 냉각재 장전 공정을 나타내며, (f)는 우산부 외각의 오목부(대직경 중공부)의 개구측 내주면에 캡을 접합하는 공정(대직경 중공부 밀폐 공정)을 나타낸다.
도 7은 본 발명의 제 2 실시예인 중공 포핏 밸브의 종단면도이다.
도 8은 본 발명의 제 3 실시예인 중공 포핏 밸브의 종단면도이다.
도 9는 동 중공 포핏 밸브의 제조 공정을 나타내는 도면으로, (a)는 밸브 중간품인 셸을 단조하는 열간 단조 공정을 나타내고, (b)는 소직경 중공부에 상당하는 구멍을 뚫는 구멍 뚫기 공정을 나타내고, (c)는 소직경 중공부에 냉각재를 충전하는 냉각재 장전 공정을 나타내며, (d)는 우산부 외각의 오목부(대직경 중공부)의 개구측 내주면에 캡을 접합하는 공정(대직경 중공부 밀폐 공정)을 나타낸다.
도 10은 대직경 중공부의 바닥면측(캡 이면측)에 설치하는 스월류 형성용의 볼록부의 다른 실시예를 나타내는 사시도이다.
(발명을 실시하기 위한 형태)
다음에 본 발명의 실시형태를 실시예에 기초하여 설명한다.
도 1∼도 6은 본 발명의 제 1 실시예인 내연 기관용의 중공 포핏 밸브를 도시한다.
이들 도면에 있어서, 부호 10은 똑바로 뻗는 축부(12)의 일단측에, 외경이 서서히 커지는 곡면 형상의 필릿부(13)를 통하여, 우산부(14)가 일체로 형성된 내열 합금제의 중공 포핏 밸브이며, 우산부(14)의 외주에는 테이퍼 형상의 페이스부(16)가 설치되어 있다.
상세하게는, 원통 형상의 축부(12a)의 일단측에 우산부 외각(14a)이 일체로 형성된 밸브 중간품인 축 일체형 셸(이하, 단지 셸이라고 함)(11)(도 1, 6 참조)과, 셸(11)의 축부(12a)에 축 접속된 축단 부재(12b)와, 셸(11)의 우산부 외각(14a)의 원추대 형상의 오목부(14b)에서의 개구측 내주면(14c)에 접합된 원반 형상의 캡(18)에 의해, 우산부(14)로부터 축부(12)에 걸쳐 중공부(S)가 설치된 중공 포핏 밸브(10)가 구성되고, 중공부(S)에는, 금속 나트륨 등의 냉각재(19)가 아르곤 가스 등의 불활성 가스와 함께 장전되어 있다. 냉각재(19)의 장전량은 많은 편이 열방산 효과에 우수하지만, 소정량 이상에서는 열방산 효과로서의 차가 미미하게 되기 때문에, 비용대효과(냉각재(19)가 많으면, 비용도 들어가는 것)를 고려하여, 예를 들면, 중공부(S)의 용적의 약 1/2∼ 약 4/5의 양이 장전되어 있으면 좋다.
또한, 도 1에서의 부호 2는 실린더 헤드, 부호 6은 연소실(4)로부터 뻗는 배기 통로이며, 배기 통로(6)의 연소실(4)로의 개구 주연부에는, 밸브(10)의 페이스부(16)가 맞닿는 테이퍼면(8a)을 구비한 둥근 고리 형상의 밸브 시트(8)가 설치되어 있다. 부호 3은 실린더 헤드(2)에 설치된 밸브 삽입통과 구멍으로, 밸브 삽입통과 구멍(3)의 내주면은 밸브(10)의 축부(12)가 슬라이딩 접촉하는 밸브 가이드(3a)로 구성되어 있다. 부호 9는 밸브(10)를 밸브 닫힘 방향(도 1 상방향)으로 탄성 가압하는 밸브 스프링, 부호 12c는 밸브 축단부에 설치한 코터 홈이다.
또한 연소실(4)이나 배기 통로(6)의 고온 가스에 노출되는 부위인, 셸(11) 및 캡(18)은, 내열강으로 구성되어 있는 것에 반해, 기계적 강도가 요구되지만, 셸(11) 및 캡(18) 정도의 내열성이 요구되지 않는 축단 부재(12b)에 대해서는, 일반적인 강재로 구성되어 있다.
다음에 밸브(10)가 개폐 동작할 때에, 대직경 중공부(S1) 내의 냉각재(19)에 텀블류(종방향의 선회류)가 형성되는 구조에 대하여 설명한다.
밸브(10) 내의 중공부(S)는 밸브 우산부(14) 내에 설치된 원추대 형상의 대직경 중공부(S1)와, 밸브 축부(12) 내에 설치된 직선 형상(막대 형상)의 소직경 중공부(S2)가 직교하도록 연통하는 구조이며, 대직경 중공부(S1)의 원형 천장면(소직경 중공부(S1)의 개구 주연부인, 우산부 외각(14a)의 원추대 형상의 오목부(14b)의 바닥면)(14b1)은 밸브(10)의 중심 축선(L)에 대하여 직교하는 평면으로 구성되어 있다.
즉 대직경 중공부(S1)에서의 소직경 중공부(S2)의 연통부(P)에는, 선행문헌 1, 2와 같은 매끄러운 형상 대신에, 대직경 중공부(S1) 측에서 보아 차양 모양의 환상 단차부(15)가 형성되어 있고, 이 환상 단차부(15)의 대직경 중공부(S1)에 면하는 측(면)(14b1)이 밸브(10)의 중심 축선(L)에 대하여 직교하는 평면으로 구성되어 있다. 바꾸어 말하면, 소직경 중공부(S1)의 개구 주연부(우산부 외각(14a)의 원추대 형상의 오목부(14b)의 바닥면)(14b1)와, 소직경 중공부(S1)의 내주면에 의해, 차양 모양의 환상 단차부(15)가 형성되어 있다.
이와 같이, 대직경 중공부(S1)가 원추대 형상으로 형성된 밸브(10)에서는, 나중에 상세하게 설명하지만, 밸브(10)가 개폐 동작(축 방향의 왕복 동작)할 때에, 중공부(S) 내의 냉각재(19)는 작용하는 관성력에 의해 중공부(S) 내를 축 방향으로 이동한다. 그리고, 대직경 중공부(S1)에서는, 냉각재(19)가 축 방향으로 이동함으로써 대직경 중공부(S1) 내에 압력차가 생기고, 대직경 중공부(S1) 내의 냉각재(19)에는, 도 5(a), (b)의 화살표(F1→F2→F3;F6→F7→F8)로 나타내는 바와 같은 텀블류(T1, T2)가 형성되고, 소직경 중공부(S2) 내의 냉각재(19)에는 연통부(P)의 근방에 난류(F4, F5)가 형성된다.
즉 밸브(10)의 개폐 동작 시에, 중공부(S) 내 전체의 냉각재(19)에 형성되는 텀블류(T1, T2)나 난류(F4. F5)에 의해, 중공부(S) 내의 냉각재(19)의 하층부, 중층부, 상층부가 적극적으로 교반되게 되어, 밸브(10)에서의 열방산 효과(열전도성)가 대폭 개선되고 있다.
특히, 본 실시예에서는, 대직경 중공부(S1)의 원형의 천장면(원추대의 상면)(14b1)과 그 외주면(원추대의 외주면)(14b2)이 둔각을 이루므로, 밸브(10)의 개폐 동작 시에, 대직경 중공부(S1)의 천장면으로부터 외주면(14b2)을 따른 흐름(F1→F2)이나, 대직경 중공부(S1)의 외주면(14b2)으로부터 천장면을 따른 흐름(F7→F8)의 발생이 원활하게 되는 만큼, 대직경 중공부(S2) 내의 냉각재(19)에 형성되는 텀블류(T1, T2)가 활발하게 되어, 중공부(S) 내의 냉각재(19)의 교반이 그만큼 촉진되어, 밸브(10)에서의 열방산 효과(열전도성)가 현저하게 개선되고 있다.
다음에 밸브(10)가 개폐 동작할 때에, 대직경 중공부(S1) 내의 냉각재(19)에 스월류(수평 방향의 선회류)가 형성되는 구조에 대하여 설명한다.
대직경 중공부(S1)의 바닥면을 구성하는 캡(18)의 이면측 및 대직경 중공부(S1)의 천장면(원추대의 상면)인 소직경 중공부(S2)의 개구 주연부(14b1)에는, 도 2, 3에 도시하는 바와 같이, 둘레 방향을 향하여 경사지는 경사면(22, 32)을 구비한 스월류 형성용의 볼록부(20, 30)가 둘레 방향 대략 동일한 간격으로 각각 3개씩 인접하여 설치되어 있다.
즉 대직경 중공부(S1)의 바닥면 중앙에는, 둘레 방향 시계 방향으로 경사지는 경사면(22)을 구비한 스월류 형성용의 볼록부(20)가 설치되고, 한편, 대직경 중공부(S1)의 천장면에는, 소직경 중공부(S2)와의 연통부(P)를 둘러싸도록, 동일하게 둘레 방향 시계 방향으로 경사지는 경사면(32)을 구비한 스월류 형성용의 볼록부(30)가 설치되어 있다.
이와 같이, 대직경 중공부(S1)의 바닥면 및 천장면에 스월류 형성용의 볼록부(20, 30)가 설치된 밸브(10)에서는, 뒤에서 상세하게 설명하지만, 밸브(10)가 개폐 동작(축 방향의 왕복 동작)할 때에, 중공부(S) 내의 냉각재(19)는 작용하는 관성력에 의해 중공부(S) 내측을 축 방향으로 이동한다.
그리고, 대직경 중공부(S1) 내에서는, 냉각재(액체)(19)가 스월류 형성용의 볼록부(20, 30)의 경사면(22, 32)에 눌림으로써, 도 2, 3에 도시하는 바와 같이, 경사면(22, 32)을 따른 흐름(F22, F32)이 발생하고, 이들 흐름(F22, F32)이 모여, 대직경 중공부(S1) 내의 냉각재(19)의 하층부, 상층부에 스월류(F20, F30)가 형성된다. 이 결과, 대직경 중공부(S1) 내의 냉각재(19)가 둘레 방향으로 교반되어, 밸브(10)에서의 열방산 효과(열전도성)가 대폭 개선된다.
특히 본 실시예에서는, 첫 번째는, 대직경 중공부(S1)의 바닥면에 설치된 스월류 형성용의 볼록부(20)의 경사면(22)과, 천장면(원추대의 상면)(14b1)에 설치된 스월류 형성용의 볼록부(30)의 경사면(32)이 둘레 방향 동일 방향으로 경사지기 때문에, 대직경 중공부(S1)의 냉각재(19)의 하층부 및 상층부에는 시계 방향의 스월류(F20, F30)가 형성된다.
이 때문에, 대직경 중공부(S1) 내의 냉각재(19) 전체가 시계 방향으로 교반되어, 중공부(S) 내의 냉각재(19)에 의한 열전달이 한층 더 활발하게 되어, 밸브(10)의 열방산 효과(열전도성)가 대폭 개선된다.
상세하게는, 밸브(10)의 개폐 동작(축 방향의 왕복 동작)이 반복되면, 중공부(S) 내의 냉각재(19)는 불활성 가스와의 혼합 상태로 되고, 대직경 중공부(S) 내에서는, 밸브(10)의 개폐 동작에 수반해서 형성되는 스월류(F20, F30)에 의해 둘레 방향 시계 방향으로 회전하여, 소직경 중공부(S2) 내에서도 대직경 중공부(S1) 내의 냉각재(19)에 끌어 당겨지도록 둘레 방향 시계 방향으로 회전한다. 특히, 대직경 중공부(S1) 내의 냉각재(19)는 밸브(10)의 하강 동작으로 형성되는 스월류(F30)에 의한 둘레 방향으로의 회전이, 밸브(10)의 상승 동작으로 형성되는 스월류(F20)에 의한 둘레 방향으로의 회전에 의해 가속되므로, 중공부(S) 내의 냉각재(19)의 회전에는 활기가 있다. 그리고, 대직경 중공부(S1) 내의 냉각재(19)에 작용하는 원심력이 소직경 중공부(S2) 내의 냉각재(19)에 작용하는 원심력보다도 크기 때문에, 도 2에 도시하는 바와 같이, 상대적으로 압력이 저하되는 대직경 중공부(S1)를 향하여 소직경 중공부(S2) 내의 냉각재(19)가 불활성 가스와 함께 소용돌이(F40)를 만들면서 끌려 들어간다.
이 결과, 소직경 중공부(S2)로부터 대직경 중공부(S2)로 냉각재(19)가 유입되어, 중공부(S) 내의 냉각재(19)의 교반이 촉진된다.
또한 소직경 중공부(S2) 내의 냉각재(19)의 액면 레벨(최상점)은 소직경 중공부(S2) 내에 소용돌이(F40)가 형성되어 액면 중앙부가 움푹 들어감으로써 상대적으로 상승하고, 냉각재(19)와 소직경 중공부(S2) 형성 벽과의 접촉 면적이 증가하여, 밸브 축부(12)에 있어서의 열전달 효율이 향상된다.
두 번째는, 스월류 형성용의 볼록부(20, 30)는, 도 2, 3에 도시하는 바와 같이, 대직경 중공부(S1)의 외주면(14b2)으로부터 소정 거리 떨어져서 설치되고, 대직경 중공부(S1) 내의 볼록부(20, 30)의 외주에는, 대직경 중공부(S1)의 외주면(14b2)을 따른 둥근 고리 형상의 유로(24, 34)가 각각 형성되어 있다. 그리고, 각 볼록부(20, 30)는 대직경 중공부(S1)의 바닥면이나 천장면에 대하여 가장 단차가 있는 원호 형상의 배면벽(20a, 30a)(도 2, 3 참조)으로부터 둘레 방향 외측을 향하여 경사면(22, 32)이 뻗어 있다. 특히, 대직경 중공부(S1)의 바닥면측의 볼록부(20)의 경사면(22)은, 도 2(b)에 도시하는 바와 같이, 인접하는 볼록부(20)의 원호 형상의 배면벽(20a)을 따라 볼록부(20) 외측의 둥근 고리 형상의 유로(24)를 향하여 뻗어 있다.
이 때문에, 밸브(10)가 하강할 때는, 대직경 중공부(S1) 내의 냉각재(19)가 스월류 형성용의 볼록부(30)(의 경사면(32))에 눌려져, 경사면(32)을 따른 흐름(F32)이 발생하지만, 이 경사면(32)을 따른 흐름(F32)은 하류측에 인접하는 볼록부(30)의 원호 형상의 배면벽(30a) 외측 근처로 안내되어, 주로는 대직경 중공부(S)의 외주면(14b2)을 따른 둥근 고리 형상의 유로(34)에 인도되므로, 대직경 중공부(S1)의 냉각재(19)의 상층부에서는, 대직경 중공부(S1)의 외주면(14b2)(둥근 고리 형상의 유로(34))을 따른 스월류(F30)가 원활하게 형성된다. 또한 경사면(32)을 따른 흐름(F32)의 일부는, 원호 형상의 배면벽(30a) 내측 근처에 안내되어, 소직경 중공부(S2)와의 연통부로 인도되므로, 대직경 중공부(S1)의 소직경 중공부(S2)와의 연통부(P)에도 스월류(F31)가 형성된다.
한편, 밸브(10)가 상승할 때는, 대직경 중공부(S1) 내의 냉각재(19)가 스월류 형성용의 볼록부(20)(의 경사면(22))에 눌려져, 경사면(22)을 따른 흐름(F22)이 발생하지만, 이 경사면(22)을 따른 흐름(F22)은 하류측에 인접하는 볼록부(20)의 배면벽(20a)에 안내되어, 대직경 중공부(S1)의 외주면(14b2)을 따른 둥근 고리 형상의 유로(24)로 인도되므로, 대직경 중공부(S1)의 냉각재(19)의 하층부에서는, 대직경 중공부(S1)의 외주면(14b2)(둥근 고리 형상의 유로(24))을 따른 스월류(F20)가 원활하게 형성된다.
이와 같이, 대직경 중공부(S) 내에서의 스월류(F20, F30)의 형성이 원활한 만큼, 대직경 중공부(S1) 및 소직경 중공부(S) 내의 냉각재(19)의 회전의 활기가 강하여, 소직경 중공부(S2)로부터 대직경 중공부(S2)로의 냉각재(19)의 유입도 많아, 중공부(S) 내의 냉각재(19)의 교반이 확실하게 촉진됨과 아울러, 소직경 중공부(S2) 내의 냉각재(19)의 액면 레벨(최상점)의 상대적인 상승도 커져, 냉각재(19)의 소직경 중공부(S2) 형성 벽과의 접촉 면적의 증가함으로써 밸브 축부(12)에서의 열전달 효율이 확실하게 향상된다.
다음에 밸브(10)가 개폐 동작할 때에, 소직경 중공부(S2) 내의 냉각재(19)에 난류(F9, F10)(도 5(a), (b) 참조)가 형성되는 구조에 대하여 설명한다.
소직경 중공부(S2)는 내경(d1)이 비교적 큰 밸브 축단부 근처의 소직경 중공부(S21)와, 내경(d2)이 비교적 작은(d2<d1) 밸브 우산부(14) 근처의 소직경 중공부(S22)로 구성되고, 소직경 중공부(S21, S22) 사이에는, 둥근 고리 형상의 단차부(17)가 형성됨과 아울러, 단차부(17)를 넘어간 위치까지 냉각재(19)가 장전되어 있다.
이 때문에, 밸브(10)가 개폐 동작할 때에, 소직경 중공부(S2) 내의 냉각재(19)는 작용하는 관성력에 의해 상하 방향으로 이동하는데, 도 5(a), (b)에 도시하는 바와 같이, 단차부(17) 근방의 냉각재(19)의 이동 방향 하류측에 난류(F9, F10)가 발생한다.
다음에 밸브(10)가 개폐 동작할 때의 중공부(S) 내의 냉각재(19)의 움직임을 도 2, 3, 4, 5에 기초하여 상세하게 설명한다.
밸브(10)가 밸브 닫힘 상태로부터 밸브 열림 상태로 이행할 때(밸브(10)가 하강할 때)는, 도 4(a)에 도시하는 바와 같이, 중공부(S1, S2) 내의 냉각재(액체)(19)에 관성력이 상향으로 작용하고, 중공부(S1, S2)에서는 냉각재(액체)(19)가 상방으로 이동한다.
그러나, 대직경 중공부(S1)의 소직경 중공부(S2)와의 연통부(P)에는, 차양 모양의 환상 단차부(15)가 형성되어 있기 때문에, 연통부(P)가 매끄러운 형상으로 형성되어 있는 선행문헌 1, 2(종래의 중공 밸브)와 같이, 대직경 중공부(S1) 내의 냉각재(19)는 원활하게 소직경 중공부(S2)측으로 이동할 수 없다. 이 때문에, 소직경 중공부(S2)의 연통부(P)의 근방에서는, 도 5(a)에 도시하는 바와 같이, 난류(F4)가 발생한다.
또한 소직경 중공부(S2) 내의 냉각재(19)에는, 내경이 작은 밸브 우산부(14) 근처의 소직경 중공부(S22)로부터 내경이 큰 밸브 축단부 근처의 소직경 중공부(S21)로 이동할 때에, 도 5(a)에 도시하는 바와 같이, 단차부(17)의 하류측에서 난류(F9)가 발생한다.
한편, 대직경 중공부(S1) 내에서는, 도 4(a)에 도시하는 바와 같이, 대직경 중공부(S1) 중앙 근처의 냉각재(19)에 작용하는 관성력(상향)이 대직경 중공부(S1) 주변 영역의 냉각재(19)에 작용하는 관성력보다도 크기 때문에, 도 5(a)에 도시하는 바와 같이, 대직경 중공부(S1) 내의 냉각재(19)에는, 대직경 중공부(S1) 중앙 근처로부터 천장면을 따라 반경 방향 외측을 향하는 흐름(F1)이 발생한다. 이 때, 대직경 중공부(S1)의 바닥면측에서는, 대직경 중공부(S1) 중앙 근처의 냉각재(19)가 상방으로 이동함으로써 중앙 근처의 영역이 부압으로 되어, 반경 방향 외측으로부터 내측을 향하는 흐름(F3)이 발생하고, 이것에 따라, 대직경 중공부(S1)의 테이퍼 형상 외주면(14b2)을 따라 하방을 향하는 흐름(F2)이 발생한다.
즉 대직경 중공부(S1) 내의 냉각재(19)에는, 화살표(F1→F2→F3→F1)로 나타내는 바와 같이, 밸브(10)의 중심 축선(L)의 주위에 외측 순환의 텀블류(T1)가 형성된다.
또한 밸브(10)가 밸브 닫힘 상태로부터 밸브 열림 상태로 이행할 때(밸브(10)가 하강할 때)는, 도 3, 5(a)에 도시하는 바와 같이, 대직경 중공부(S1)의 천장면을 향하여 이동한 냉각재(액체)(19)가 대직경 중공부(S1)의 천장면에 설치되어 있는 스월류 형성용의 볼록부(30)(의 경사면(32))에 눌려짐으로써 이 경사면(32)을 따른 흐름(경사면(32)의 경사지는 방향인 둘레 방향을 향하는 흐름)(F32)이 발생하여, 대직경 중공부(S1) 내의 냉각재(19)의 상층부에 스월류(F30)가 형성된다.
이것에 의해, 대직경 중공부(S1) 내의 냉각재(19)가 둘레 방향 시계 방향으로 회전하고, 이 회전에 끌어 당겨지도록, 소직경 중공부(S2) 내의 냉각재(19)도 동일 방향으로 회전하고, 냉각재(19)에 작용하는 원심력이 크기 때문에 상대적으로 압력이 저하되는 대직경 중공부(S1)를 향하여, 도 2에 도시하는 바와 같이, 소직경 중공부(S2) 내의 냉각재(19)가 불활성 가스와 함께 소용돌이(F40)를 만들면서 끌려 들어간다.
또한 밸브(10)가 밸브 열림 상태로부터 밸브 닫힘 상태로 이행할 때(밸브(10)가 상승할 때)는, 도 4(b)에 도시하는 바와 같이, 중공부(S1, S2) 내의 냉각재(액체)(19)에 관성력이 하향으로 작용하여, 중공부(S1, S2)에서는 냉각재(액체)(19)가 하방으로 이동한다.
소직경 중공부(S2) 내에서는, 밸브(10)가 밸브 닫힘 상태로부터 밸브 열림 상태로 이행할 때에 상방으로 이동한 냉각재(19) 전체가 원활하게 하방으로 이동하지만, 내경이 큰 밸브 축단부 근처의 소직경 중공부(S21)로부터 내경이 작은 밸브 우산부(14) 근처의 소직경 중공부(S22)로 이동할 때에, 도 5(b)에 도시하는 바와 같이, 단차부(17)의 하류측에서 난류(F10)가 발생한다. 또한, 대직경 중공부(S1)와의 연통부(P)에서도, 난류(F5)가 발생한다.
한편, 대직경 중공부(S1) 내에서는, 도 4(b)에 도시하는 바와 같이, 대직경 중공부(S1) 중앙 근처의 냉각재(19)에 작용하는 관성력(하향)이 대직경 중공부(S1) 주변 영역의 냉각재(19)에 작용하는 관성력보다도 크기 때문에, 도 5(b)에 도시하는 바와 같이, 대직경 중공부(S1) 내의 냉각재(19)에는, 대직경 중공부(S1) 중앙 근처로부터 바닥면을 따라 반경 방향 외측을 향하는 흐름(F6)이 발생한다. 이 때, 대직경 중공부(S1)의 천장면측에서는, 대직경 중공부(S1) 중앙 근처의 냉각재(19)가 하방으로 이동함으로써 중앙 근처의 영역이 부압으로 되어, 반경 방향 외측으로부터 내측을 향하는 흐름(F8)이 발생하고, 이것에 따라, 대직경 중공부(S1)의 테이퍼 형상 외주면(14b2)을 따라 상방을 향하는 흐름(F7)이 발생한다.
즉 대직경 중공부(S1)의 냉각재(19)에는, 화살표(F6→F7→F8→F6)로 나타내는 바와 같이, 밸브(10)의 중심 축선(L)의 주위에 내측 순환의 텀블류(T2)가 형성된다.
또한 밸브(10)가 밸브 열림 상태로부터 밸브 닫힘 상태로 이행할 때(밸브(10)가 상승할 때)는, 도 3, 5(b)에 도시하는 바와 같이, 대직경 중공부(S1)의 바닥면을 향하여 이동한 냉각재(액체)(19)가 대직경 중공부(S1)의 바닥면에 설치되어 있는 스월류 형성용의 볼록부(20)(의 경사면(22))에 눌려짐으로써 이 경사면(22)을 따른 흐름(경사면(22)의 경사지는 방향인 둘레 방향을 향하는 흐름)(F22)이 발생하여, 대직경 중공부(S1) 내의 냉각재(19)의 하층부에 스월류(F20)가 형성된다.
이것에 의해, 대직경 중공부(S1) 내의 냉각재(19)가 둘레 방향 시계 방향으로 회전하고, 이 회전에 끌어 당겨지도록, 소직경 중공부(S2) 내의 냉각재(19)도 동일한 방향으로 회전하고, 냉각재(19)에 작용하는 원심력이 크기 때문에 상대적으로 압력이 저하되는 대직경 중공부(S1)를 향하여, 도 2에 도시하는 바와 같이, 소직경 중공부(S2) 내의 냉각재(19)가 불활성 가스와 함께 소용돌이(F40)를 만들면서 끌려 들어간다.
이와 같이, 밸브(10)의 개폐 동작(상하 방향의 왕복 동작)에 따라, 대직경 중공부(S1) 내의 냉각재(19)에는, 텀블류(T2, T3)가 형성됨과 아울러, 스월류(F20, F30)도 형성되어, 대직경 중공부(S1) 내의 냉각재(19) 전체가 적극적으로 교반되어, 중공부(S) 내의 냉각재(19)에 의한 열전달이 활발하게 된다.
상세하게는, 밸브(10)의 개폐 동작(상하 방향의 왕복 동작)에 따라 대직경 중공부(S1)에 형성되는 스월류(F20, F30)에 의해, 대직경 중공부(S1) 및 소직경 중공부(S2)에서는, 냉각재(19)가 시계 방향으로 교반됨과 아울러, 소직경 중공부(S2)에 발생한 소용돌이(F40)에 의해 소직경 중공부(S2)로부터 대직경 중공부(S1)에 냉각재(19)가 유입되고, 또한, 밸브(10)의 개폐 동작(상하 방향의 왕복 동작)에 따라 대직경 중공부(S1)의 냉각재(19)의 종방향 외측 순환(밸브(10)의 하강시)의 교반과 종방향 내측 순환(밸브 상승시)의 교반이 번갈아 반복되어, 중공부(S) 내의 냉각재(19)에 의한 열전달이 활발하게 된다.
또한 소직경 중공부(S) 내의 단차부(17)는, 도 1에 도시하는 바와 같이, 밸브 가이드(3)의 배기 통로(6)에 면하는 측의 단부(3b)에 대략 대응하는 위치에 설치되어, 내경이 큰 축단부 근처 소직경 중공부(S21)를 축 방향으로 길게 형성함으로써 밸브(10)의 내구성을 저하시키지 않고, 냉각재(19)와의 접촉 면적의 증가에 의한 밸브 축부(12)에서의 열전달 효율을 높임과 아울러, 소직경 중공부(S21) 형성 벽의 두께를 박육화(薄肉化)에 의한 밸브(10)의 경량화가 도모되어 있다.
즉 소직경 중공부(S2) 내의 단차부(17)는 밸브(10)가 완전히 열린 상태(도 1의 가상선 참조)이며, 배기 통로(6) 내측이 되지 않는 소정 위치(밸브 삽입통과 구멍(3) 내측의 상하 방향 소정 위치)에 있어서, 밸브 축부(12)에서의 얇은 소직경 중공부(S21) 형성 벽이 배기 통로(6) 내의 열의 영향을 받지 않도록 설정되어 있다. 도 1의 부호 17X는 밸브(10)가 완전히 열린 상태에서의 단차부(17)의 위치를 나타낸다.
상세하게는, 금속의 피로 강도는 고온으로 될수록 저하되기 때문에, 항상 배기 통로(6) 내에서 고열에 노출되는 부위인, 밸브 축부(12)에서의 밸브 우산부(14) 근처의 영역은 피로 강도의 저하에 견딜 수 있을 정도의 두께로 형성(내경(d2)을 작게)할 필요가 있다. 한편, 열원으로부터 떨어지고, 게다가 항상 밸브 가이드(3a)에 슬라이딩 접촉하는 부위인, 밸브 축부(12)에서의 축단부 근처의 영역은 냉각재(19)를 통하여 연소실(4)이나 배기 통로(6)의 열이 전달되지만, 전달된 열은 밸브 가이드(3a)를 통하여 즉시 실린더 헤드(2)로 방열되기 때문에, 밸브 우산부(14) 근처의 영역 정도의 고온으로 되지 않으므로, 그만큼 얇게 형성할 수 있다.
즉 밸브 축부(12)에서의 축단부 근처 영역은, 밸브 우산부(14) 근처의 영역보다도 피로 강도가 저하되지 않기 때문에, 얇게 형성(소직경 중공부(S21)의 내경을 크게 형성)해도, 강도적(피로에 의해 파손되는 등의 내구성)으로는 문제가 없다.
그래서, 본 실시예에서는, 소직경 중공부(S21)의 내경을 크게 형성하고, 첫 번째는, 소직경 중공부(S2) 전체의 표면적(냉각재(19)와의 접촉 면적)을 증가시킴으로써 밸브 축부(12)에 있어서의 열전달 효율이 향상되어 있다. 두 번째는, 소직경 중공부(S2) 전체의 용적을 늘림으로써 밸브(10)의 총 중량이 경감되어 있다.
또한 밸브의 축단 부재(12b)는 셸(11) 정도의 내열성이 요구되지 않기 때문에, 셸(11)의 재료보다도 내열성이 낮은 저렴한 재료를 사용함으로써 밸브(10)를 저렴하게 제공할 수 있다.
다음에 중공 포핏 밸브(10)의 제조 공정을 도 6에 기초하여 설명한다.
우선, 도 6(a)에 도시하는 바와 같이, 열간 단조 공정에 의해, 원추대 형상의 오목부(14b)를 설치한 우산부 외각(14a)과 축부(12a)를 일체로 형성한 밸브 중간품인 셸(11)을 성형한다. 또한, 셸(11)(우산부 외각(14a))을 성형할 때에, 우산부 외각(14a)에서의 오목부(14b)의 바닥면(14b1)은, 축부(12a)(셸(11)의 중심 축선(L))에 대하여 직교하는 평면으로 형성됨과 아울러, 이 바닥면(14b1)에는, 스월류 형성용의 볼록부(30)가 둘레 방향 대략 동일한 간격으로 인접하여 둥근 고리 형상으로 형성된다.
열간 단조 공정으로서는, 금형을 차례차례 교체하는 압출 단조로, 내열강제 블록으로부터 셸(11)(의 우산부 외각(14a)의 오목부(14b)에 스월류 형성용의 볼록부(30))을 단조하는 압출 단조, 또는 업세터로 내열강제 봉재의 단부에 구 형상부를 업세팅한 후에, 금형을 사용하여 셸(11)의 우산부 외각(14a)(의 오목부(14b)에 스월류 형성용의 볼록부(30))을 단조하는 업세팅 단조의 어느 것이어도 된다. 또한, 열간 단조 공정에서, 셸(11)의 우산부 외각(14a)과 축부(12a) 사이에는, 곡면 형상 필릿부(13)가 형성되고, 우산부 외각(14a)의 외주면에는 테이퍼 형상 페이스부(16)가 형성된다.
다음에 도 6(b)에 도시하는 바와 같이, 우산부 외각(14a)의 오목부(14b)가 상향으로 되도록 셸(11)을 배치하고, 우산부 외각(14a)의 오목부(14b)의 바닥면(14b1)으로부터 축부(12a)에 걸쳐 소직경 중공부(S22)에 상당하는 구멍(14e)을 드릴 가공에 의해 뚫는다(구멍 뚫기 공정).
구멍 뚫기 공정에 의해, 대직경 중공부(S1)를 구성하는 우산부 외각(14a)의 오목부(14b)와, 소직경 중공부(S22)를 구성하는 축부(12a) 측의 구멍(14e)이 연통함으로써, 오목부(14b)와 구멍(14e)의 연통부에는, 오목부(14b)측에서 보아 차양 모양의 환상 단차부(15)가 형성된다.
다음에 도 6(c)에 도시하는 바와 같이, 셸(11)의 축단부측으로부터, 축단부 근처 소직경 중공부(S21)에 상당하는 구멍(14f)을 드릴 가공에 의해 뚫어, 소직경 중공부(S2) 내의 단차부(17)를 형성한다(구멍 뚫기 공정).
다음에 도 6(d)에 도시하는 바와 같이, 셸(11)의 축단부에 축단 부재(12b)를 축 접속한다(축단 부재 축 접속 공정).
다음에 도 6(e)에 도시하는 바와 같이, 셸(11)의 우산부 외각(14a)의 오목부(14b)의 구멍(14e)에 냉각재(고체)(19)를 소정량 충전한다(냉각재 장전 공정).
최후에, 도 6(f)에 도시하는 바와 같이, 아르곤 가스 분위기하에서, 셸(11)의 우산부 외각(14a)의 오목부(14b)의 개구측 내주면(14c)에, 스월류 형성용의 볼록부(20)가 그 이면측에 일체화되어 있는 캡(18)을 접합(예를 들면, 저항 접합)하여, 밸브(10)의 중공부(S)를 밀폐한다(중공부 밀폐 공정). 또한, 캡(18)의 이면측에 볼록부(20)를 일체화하기 위해서는, 단조, 절삭, 납땜, 용접 등의 종래 공지의 방법으로 간단하게 일체화할 수 있다. 또한 캡(18)의 접합은 저항 접합 대신에 전자빔 용접이나 레이저 용접 등을 채용해도 된다.
도 7은 본 발명의 제 2 실시예인 중공 포핏 밸브를 도시한다.
상기한 제 1 실시예의 중공 포핏 밸브(10)에서는, 밸브 우산부(14) 내의 대직경 중공부(S1)가 원추대 형상으로 형성됨과 아울러, 밸브 축부(12) 내의 직선 형상의 소직경 중공부(S2)가 대직경 중공부(S1)의 원형의 천장면(14b1)에 직교하도록 연통되어 있지만, 이 제 2 실시예의 중공 포핏 밸브(10A)에서는 밸브 축부(12) 내의 소직경 중공부(S2)가 선행특허문헌 1, 2와 같이 종단면이 매끄러운 곡선 영역(내경이 서서히 변하는 천이 영역)(X)을 통하여 밸브 우산부(14) 내의 대략 원추 형상의 대직경 중공부(S1')에 연통하여, 중공부(S')가 구성되어 있다.
또한, 부호 14a'은 대직경 중공부(S1')에 상당하는 오목부(14b')가 설치된 우산부 외각, 부호 14b2'은 원추 형상의 대직경 중공부(S1')의 외주면을 나타낸다.
또한 상기한 제 1 실시예의 중공 포핏 밸브(10)에서는, 대직경 중공부(S1)의 바닥면(캡(18)의 이면측) 및 천장면에 스월류 형성용의 볼록부(20, 30)가 설치되어 있지만, 이 제 2 실시예의 중공 포핏 밸브(10A)에서는 대직경 중공부(S1')의 바닥면측(캡(18)의 이면측)에만 스월류 형성용의 볼록부(20)가 설치되어, 밸브(10A)가 밸브 열림 상태로부터 밸브 닫힘 상태로 이행할 때(밸브(10A)가 상승할 때)에, 대직경 중공부(S1') 내의 냉각재(19)의 하층부에 밸브의 중심 축선(L') 주위에 스월류(F20')가 형성되게 되어 있다.
그 밖은 전기한 제 1 실시예의 중공 포핏 밸브(10)와 동일하며, 동일한 부호를 붙임으로써 그 중복된 설명은 생략한다.
즉 이 중공 포핏 밸브(10A)에서는 전기한 제 1 실시예의 중공 포핏 밸브(10)와 마찬가지로, 밸브(10A)의 개폐 동작(축 방향의 왕복 동작) 시, 특히 밸브(10A)가 상승할 때에, 대직경 중공부(S1') 내의 냉각재(19)에, 스월류 형성용의 볼록부(20)의 경사면(22)을 따른 흐름이 발생하고, 이 흐름이 스월류 형성용의 볼록부(20) 외측의 둥근 고리 형상의 유로(24')에 모여, 대직경 중공부(S1')의 외주면(14b2')을 따른 스월류(F20')를 형성하고, 이 스월류(F20')가 대직경 중공부(S1') 내의 냉각재(19)의 하층부를 교반하고, 이것에 의해 중공부(S') 내의 냉각재(19)에 의한 열전달이 활발하게 됨으로써 밸브(10A)의 열방산 효과가 개선되고 있다.
도 8, 9는 본 발명의 제 3 실시예인 중공 포핏 밸브를 도시한다.
전기한 제 1, 제 2 실시예의 중공 포핏 밸브(10, 10A)에서는, 밸브 축부(12) 내의 소직경 중공부(S2)가 밸브 축단부 근처의 내경이 큰 소직경 중공부(S21)와, 밸브 우산부 근처의 내경이 작은 소직경 중공부(S22)로 구성되고, 소직경 중공부(S2)의 길이 방향의 도중에 단차부(17)가 형성되어 있는 것에 대하여, 본 실시예의 중공 포핏 밸브(10B)에서는 밸브 축부(12) 내의 소직경 중공부(S2')가 길이 방향으로 일정한 내경으로 형성되어 있다.
그 밖은 전기한 제 1 실시예의 중공 포핏 밸브(10)와 동일하며, 동일한 부호를 붙임으로써 그 중복된 설명은 생략한다.
즉 제 1, 제 2 실시예의 중공 포핏 밸브(10, 10A)에서는 밸브(10, 10A)의 개폐 동작 시에, 소직경 중공부(S2) 내에 설치된 단차부(17)에 의해, 소직경 중공부(S2) 내의 냉각재(19)가 교반되는 것에 반해, 본 실시예의 중공 포핏 밸브(10B)에서는 그러한 작용(단차부(17)에 의한 냉각재(19)의 교반 작용)이 없지만, 밸브(10B)의 개폐 동작 시에, 대직경 중공부(S1) 내의 냉각재(19)에는, 전기한 제 1 실시예의 중공 포핏 밸브(10)의 경우와 마찬가지로, 밸브의 중심 축선(L") 주위에 텀블류(T1, T2)(도 5 참조)와 더불어 스월류(F20, F30)(도 2, 3 참조)가 형성됨과 아울러, 소직경 중공부(S2') 내의 냉각재(19)에는, 난류(F4, F5) 및 소용돌이(F40)(도 5 참조)가 발생하므로, 중공부(S") 내의 냉각재(19) 전체가 적극적으로 교반되어, 밸브(10B)에 있어서의 열방산 효과(열전도성)가 대폭 개선되고 있다.
또한 중공 포핏 밸브(10B)의 제조 공정을 도 9에 나타내는데, 밸브 축부(12) 내의 소직경 중공부(S2')에 단차부를 설치하지 않기 때문에, 소직경 중공부(S2')에 상당하는 구멍(14e')을 뚫는 구멍 뚫기 공정이 1 공정이면 되고, 게다가 축단 부재를 축 접속하는 축 접속 공정도 불필요하게 되는 등, 밸브의 제조 공정이 간결하게 되어 있다.
중공 포핏 밸브(10B)를 제조하기 위해서는, 우선, 도 9(a)에 도시하는 바와 같이, 열간 단조 공정에 의해, 원추대 형상의 오목부(14b)를 설치한 우산부 외각(14a)과 축부(12)를 일체로 형성한 셸(11')을 성형한다. 셸(11')(우산부 외각(14a))의 성형과 동시에, 우산부 외각(14a)에서의 오목부(14b)의 바닥면(14b1)에는, 스월류 형성용의 볼록부(30)가 둘레 방향 대략 동일한 간격으로 인접하여 둥근 고리 형상으로 형성된다.
다음에 도 9(b)에 도시하는 바와 같이, 우산부 외각(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).
다음에 도 9(c)에 도시하는 바와 같이, 셸(11')의 우산부 외각(14a)의 오목부(14b)에 개구되는 구멍(14e')에 냉각재(고체)(19)를 소정량 삽입한다(냉각재 장전 공정).
최후에, 도 9(d)에 도시하는 바와 같이, 아르곤 가스 분위기하에서, 셸(11')의 우산부 외각(14a)의 오목부(14b)의 개구측 내주면(14c)에, 스월류 형성용의 볼록부(20)가 그 이면측에 일체화되어 있는 캡(18)을 접합(예를 들면, 저항 접합)하여, 밸브(10)의 중공부(S)를 밀폐한다(중공부 밀폐 공정).
도 10은 밸브 우산부 내의 대직경 중공부의 바닥면(캡 이면측)에 설치하는 스월류 형성용의 볼록부의 다른 실시예를 나타내는 사시도이다.
전기한 제 1∼제 3 실시예에서는, 대직경 중공부(S1, S1')의 바닥면을 구성하는 캡(18)의 이면측에 설치하는 스월류 형성용의 볼록부(20)는 가장 단차가 있는 원호 형상의 배면벽(20a)으로부터 둘레 방향을 향하여 경사지는 경사면(22)을 구비한 평면으로 보아 선회 날개 형상으로 형성되어 있지만, 도 10에 도시하는 스월류 형성용의 볼록부(120)는 가장 단차가 있는 배면벽(120a)으로부터 둘레 방향을 향하여 경사지는 경사면(122)을 구비한 측면에서 보아 삼각형·평면으로 보아 직사각형 형상이며, 둘레 방향 동일한 간격 4개소에 설치되어 있다.
또한, 전기한 실시예에서 제시하는 스월류 형성용의 볼록부(20, 120, 30)는 둘레 방향을 향하여 경사지는 스월류 형성용의 경사면(22, 32, 122)을 구비하고, 밸브의 개폐 동작(축 방향의 왕복 동작)에 따라 냉각재(19)가 이동할 때에 스월류 형성용의 경사면(22, 32, 122)에 눌려짐으로써 이 경사면(22, 32, 122)을 따라 대직경 중공부의 둘레 방향을 향하는 냉각재의 흐름이 발생하도록 구성되어 있지만, 스월류 형성용의 볼록부는 밸브의 개폐 동작에 수반해서 대직경 중공부 내의 냉각재에 스월류를 형성할 수 있는 것이면, 전기한 볼록부(20, 120, 30)에 한정되는 것은 아니다.
2 실린더 헤드
3a 밸브 가이드
4 연소실
6 배기 통로
10, 10A, 10B 중공 포핏 밸브
11,11' 우산부 외각과 축부를 일체로 형성한 셸
12 밸브 축부
12a 축부
14 밸브 우산부
14a, 14a' 우산부 외각
14b 원추대 형상의 오목부
14b' 원추 형상의 오목부
14b1 대직경 중공부의 원형의 천장면
14b2, 14b2' 우산부 외각의 오목부 내주면(대직경 중공부의 외주면)
15 대직경 중공부의 천장면에서의 소직경 중공부의 개구 주연부인 차양 모양의 환상 단차부
17 소직경 중공부 내의 단차부
18 캡
19 냉각재
20, 30, 120 스월류 형성용의 볼록부
22, 32, 122 스월류 형성용의 경사면
L, L'，L" 밸브의 중심 축선
S, S'，S" 중공부
S1 원추대 형상의 대직경 중공부
S1' 원추 형상의 대직경 중공부
P 연통부
S2, S2' 직선 형상의 소직경 중공부
S21 축단부 근처 소직경 중공부
S22 밸브 우산부 근처 소직경 중공부
F20, F20'，F30, F31 스월류
F40 소직경 중공부 내에 발생하는 소용돌이
T1, T2 텀블류
F4, F5 난류
F9, F10 난류

Claims (4)

  1. 축부의 일단측에 우산부를 일체로 형성한 포핏 밸브의 우산부로부터 축부에 걸쳐 중공부가 형성되고, 상기 중공부에 불활성 가스와 함께 냉각재가 장전된 중공 포핏 밸브에 있어서,
    상기 중공부는 상기 밸브 우산부 내의 대직경 중공부와, 이 대직경 중공부의 중앙부에 연통되는 상기 밸브 축부 내의 직선 형상의 소직경 중공부를 구비하고,
    상기 대직경 중공부의 바닥면 또는 천장면에, 둘레 방향을 향하여 경사지는 경사면을 구비한 스월류 형성용의 볼록부가 둘레 방향 대략 동일한 간격으로 설치되어, 상기 밸브가 축 방향으로 왕복 동작할 때에, 상기 대직경 중공부 내의 냉각재에 상기 밸브의 중심 축선 주위에 스월류가 형성되는 것을 특징으로 하는 중공 포핏 밸브.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 대직경 중공부의 바닥면 및 천장면에는, 상기 스월류 형성용의 볼록부가 각각 설치됨과 아울러, 상기 바닥면측의 볼록부의 경사면의 경사 방향과 상기 천장면측의 볼록부의 경사면의 경사 방향이 둘레 방향 동일한 방향으로 되도록 구성된 것을 특징으로 하는 중공 포핏 밸브.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 스월류 형성용의 볼록부는 상기 대직경 중공부의 외주면으로부터 소정 거리 떨어져서 설치되고, 이 스월류 형성용의 볼록부의 외주에 대직경 중공부의 외주면을 따른 둥근 고리 형상의 유로가 형성됨과 아울러, 상기 볼록부의 경사면이 상기 유로를 향하여 경사지는 것을 특징으로 하는 중공 포핏 밸브.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 대직경 중공부는, 상기 밸브 우산부의 외형을 대략 따르는 테이퍼 형상의 외주면을 구비한 원추대 형상으로 구성됨과 아울러, 상기 밸브 축부 내에 설치한 소직경 중공부가 상기 원추대 형상의 대직경 중공부의 천장면에 대략 직교하도록 연통되고, 상기 밸브의 개폐 동작에 수반해서, 적어도 상기 대직경 중공부 내의 냉각재에 상기 밸브의 중심 축선 주위에 텀블류가 형성되는 것을 특징으로 하는 중공 포핏 밸브.
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