KR20160093028A

KR20160093028A - 중공 포핏 밸브

Info

Publication number: KR20160093028A
Application number: KR1020167016451A
Authority: KR
Inventors: 오사무 츠네이시; 마사아키 이노우에
Original assignee: 니탄 밸브 가부시키가이샤
Priority date: 2014-02-10
Filing date: 2014-02-10
Publication date: 2016-08-05
Also published as: BR112016017938B1; CN105980675B; KR101683590B1; JPWO2015118690A1; MX2016009708A; US9790822B2; TW201544676A; BR112016017938A2; JP6205437B2; US20160356186A1; PL3106633T3; EP3106633A4; EP3106633B1; CN105980675A; EP3106633A1; BR112016017938B8; RU2641870C1; TWI638092B; WO2015118690A1

Abstract

냉매를 사용하는 포핏 밸브로서, 단열 효과와 열방산 효과의 상대값을 조절하여, 최대의 연소 효율을 달성한다. 중공 포핏 밸브(10)의 우산부(14) 내로부터 축부(12)에 걸쳐, 격벽(15)으로 분리된 단열 공간부(S1)와 냉각재(19)가 장전된 냉각부(S2)를 형성한다. 격벽(15)의 설치 위치나 상하 길이를, 사용 차종 등에 따라 적당히 설정함으로써, 적절한 단열 효과와 열방산 효과가 얻어진다. 또한, 상기 격벽(15)에 의해, 단열 공간부(S1)나 냉각부(S2)가 형성된 포핏 밸브의 기계적 또는 열적 강도가 상승한다.

Description

중공 포핏 밸브{HOLLOW POPPET VALVE}

본 발명은 밸브 본체의 우산부에서 축부에 걸쳐, 단열 공간과 중공부가 형성된 중공 포핏 밸브에 관한 것이다.

특허문헌 1, 2 등에는 축단부에 우산부를 일체로 형성한 포핏 밸브가 기재되어 있다. 내연기관에서 사용되는 포핏 밸브는 흡기로 또는 배기로가 접속되는 실린더 헤드의 밸브시트에 자리하여 상기 흡기로 또는 배기로를 개폐시켜 엔진을 구동시키고 있다.

통상, 내연기관은 연소실의 내부 온도가 높을수록 연소 효율은 향상된다. 상기 연소실의 열은 상기 포핏 밸브를 통하여 외부로 소실되는 경우가 많다. 그 때문에 상기 연소실에 접촉하는 포핏 밸브 우산부 표면측에 혹은 그 근방에 공간을 형성하고, 이 공간을 진공으로 하거나, 불활성 가스를 충전하거나, 혹은 상기 포핏 밸브를 구성하는 재료보다 열전도율이 작은 재료를 충전하여, 단열 공간을 형성해서, 연소실 내의 열의 산일(散逸)을 억제하고 있다(특허문헌 1 참조).

이와 같이, 단열 공간을 형성함으로써, 연소실은 고온으로 되지만, 연소실의 온도가 지나치게 높으면, 노킹이 발생하여 소정의 엔진 출력이 얻어지지 않아, 연비의 악화(엔진의 성능 저하)로 이어진다. 그래서, 연소실의 온도를 내리기 위해, 연소실에서 발생하는 열을 밸브를 통하여 적극적으로 열전도시키는 방법(밸브의 열방산 효과를 높이는 방법)으로서, 냉각재를 불활성 가스와 함께 중공부에 장전한 다양한 중공 밸브가 제안되었다.

특허문헌 2의 포핏 밸브에서는, 우산부에서 축부에 걸쳐 중공부가 형성되고, 이 중공부에는 엔진 밸브의 모재보다도 열전도율이 높은 냉각재(예를 들면, 금속 나트륨, 융점 약 98℃)가 불활성 가스와 함께 장전되어 있다.

엔진 밸브의 중공부는 우산부 내로부터 축부 내로 뻗어 있고, 그만큼 많은 양의 냉각재를 중공부에 장전할 수 있으므로, 엔진 밸브의 열전도성(이하, 밸브의 열방산 효과라고 함)을 높일 수 있다. 그렇지만, 엔진 밸브의 축부는 중공부가 형성되어 체적이 감소되어 있기 때문에, 상기 열방산 효과가 지나치게 크면, 축부의 온도가 과도하게 상승한다. 엔진 밸브 중 흡기 밸브는 가솔린과 공기의 혼합 기체를 흡기하는데, 이 흡기 밸브의 표면 온도가 지나치게 높으면, 이 흡기 밸브에 접촉하는 상기 혼합 기체가 체적 팽창하여, 1 사이클에 흡인할 수 있는 혼합 기체의 양이 감소하여, 엔진의 효율이 저하되어 버린다. 또한 엔진 밸브 중, 배기 밸브는 흡기 밸브에 비해 고온에 노출되며, 특히 목부의 강도 저하가 발생하기 쉽게 되어 있다.

일본 특개 2012-72748 일본 실개 소61-106677

이와 같이 냉매를 사용하는 포핏 밸브에서는, 단열 효과와 열방산 효과의 상대값을 조절하여, 최대의 연소 효율을 달성하는 것이 바람직하다. 특허문헌 2 기재의 포핏 밸브에서는, 단열 공간부(9)와 냉각실(7)이 형성되고, 양자가 우산부 표면부(A)에 의해 분리되어 있다. 이 포핏 밸브에서는, 단열 효과를 생기게 하는 단열 공간부(9)와, 열방산 효과를 생기게 하는 냉각실(7)이 존재하지만, 양자를 분리하는 우산부 표면부(A)는 밸브 고유의 부재이며, 이 부재를 컨트롤하여 단열 효과와 열방산 효과를 조절한다고 하는 발상은 생기지 않는다. 즉, 단열 공간부(9)와 냉각실(7)의 형상이 고정되고, 따라서 각각의 용량이 일정하기 때문에, 단열 효과와 열방산 효과를 각 차종 등에 따른 적절한 상대 비율로 설정할 수 없는 것이다.

본 발명은 선행문헌에 대한 발명자의 상기한 지견에 기초하여 이루어진 것으로, 그 목적은 연소실에서 얻어진 열 에너지가 밸브로 소실되어 버리는 것을 억제하여 연소 효율을 현격하게 개선할 수 있는 중공 포핏 밸브를 제공하는 것에 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명(청구항 1)에 따른 중공 포핏 밸브에서는, 축부의 일단측에 우산부를 일체로 형성한 중공 포핏 밸브에 있어서, 상기 밸브에는, 격벽으로 분리된 우산측 중공부와 축측 중공부가 형성되고, 상기 우산측 중공부에는 가스 또는 밸브 형성 금속보다 저열전도율의 재료를 수용하여 단열부가 구성되고, 또한 상기 축측 중공부에는 냉각재가 장전되도록 구성했다.

(작용) 이러한 구성으로 이루어지는 포핏 밸브를 엔진 밸브로서 사용하면, 격벽보다 하방의 우산측 중공부(단열 공간부 또는 대직경 중공부)에서는, 이 공간의 열전도율이 낮기 때문에, 연소실 내의 열의 방산이 억제되어 연소실 내의 온도가 높게 유지된다. 한편 상기 격벽보다 상방의 냉각부에서는, 금속 나트륨 등의 냉각재가 냉각부의 외벽면과 이 냉각부의 주위의 혼합 기체를 냉각한다. 냉각부는 중공 형상으로 성형되어 있기 때문에, 고열에 의해 피로 강도의 저하가 발생하여 손상되기 쉬워지지만, 상기 냉각재에 의해 냉각되기 때문에, 열적인 손상이 생길 우려가 거의 발생하지 않게 된다. 이것은 혼합 기체의 온도가 높은 배기 밸브의 머리부에서 특히 현저하다. 그리고 상기 포핏 밸브가 흡기 밸브인 경우, 흡기되는 혼합 기체가 가열 팽창하여 1 사이클에 흡기되는 혼합 기체의 양이 감소되어 연비가 저하된다. 그러나 냉각재에 의해 상기 혼합 기체가 냉각되기 때문에, 혼합 기체가 양적으로 충분하게 공급되어 엔진이 원활하게 작동하게 된다. 즉, 밸브 주변의 흡입 기체(혼합 기체)가 밸브로부터 받는 열에 의해 체적 팽창하기 때문에 흡입량이 감소하는 것에 의한 연소 효율 저하가 억제되고, 또한 전술의 열 에너지의 소실 억제와 맞물려 연소 효율을 현격하게 개선시키는 것이 가능하게 된다.

그리고 본 발명의 경우, 상기 단열 공간부와 상기 냉각부가 상기 격벽에 의해 분리되어 있기 때문에, 이 격벽의 상하 방향의 위치나 상하 방향의 길이를 사용 차종 등에 따라 적당하게 설정함으로써, 적절한 단열 효과와 열방산 효과가 얻어진다. 또한, 상기 단열 공간부와 상기 냉각부를 형성함으로써 중공 구조로 되기 때문에, 상기 포핏 밸브의 기계적 강도가 부족하지만, 상기 격벽에 의해, 기계적 강도가 상승한다.

제 2 항에서는, 청구항 1에 기재된 중공 포핏 밸브에 있어서, 상기 우산부의 연소실측 표면, 상기 우산부에서 상기 축부에 걸친 외주면 및 우산측 중공부 내벽의 적어도 1개소에 단열층을 형성하도록 구성했다.

(작용) 이 중공 포핏 밸브에서는, 원래 고온에 노출되기 쉬운 상기 우산부의 연소실측 표면, 예를 들면, 우산부 외각의 바닥면과 캡 하면과, 상기 우산부에서 상기 축부에 걸친 외주면, 예를 들면, 포핏 밸브의 필릿부의 양쪽 또는 일방에, 세라믹스 등으로 이루어지는 단열층이 형성되어 있기 때문에, 각 부재가 고온에 노출되는 것이 회피되어, 고온 안정성이 얻어진다. 또한 우산측 중공부 내벽에도 단열층을 형성함으로써, 우산부 외각에 성형한 단열층을 통과한 열이 우산부 중공에 전도되는 것을 억제하여, 더욱 단열 효과를 높일 수 있다.

제 3 항에서는, 청구항 1 또는 2에 기재된 중공 포핏 밸브에 있어서, 상기 격벽이 밸브 본체와 일체로 성형되어 있도록 구성한다.

(작용) 밸브 본체와 격벽이 일체 성형되어 있으면, 접합 계면이 존재하지 않아, 강성이 높고, 열적 및 기계적 응력에 대하여 높은 내성이 있어, 가혹한 환경에서 사용되는 포핏 밸브를 제공할 수 있다.

청구항 4에서는, 청구항 1 또는 2에 기재된 중공 포핏 밸브에 있어서, 상기 격벽이 상기 축부의 내경과 실질적으로 동일한 외경을 갖는 원기둥체를 상기 냉각부 내에 끼워넣기나 용접 등의 접합을 하여 소정 위치에 고정되도록 구성한다.

(작용) 이 원기둥체를 냉각부 내에 끼워넣어 격벽을 구성하는 태양에서는, 일체 성형의 경우와 동일한 정도의 강성은 얻어지지 않지만, 원기둥체의 끼워넣기 위치나 원기둥체의 상하 길이를 용이하게 변경할 수 있고, 또한 재질의 변경도 용이하여, 필요로 하는 단열 효과와 열방산 효과를 얻기 쉬워진다.

청구항 5에서는, 청구항 1 내지 4 중 어느 1항에 기재된 중공 포핏 밸브에 있어서, 상기 우산부의 연소실측에는 우산측 중공부의 바닥면을 형성하는 캡재가 접합되도록 구성한다.

(작용) 이 캡을 접합하는 태양에서는, 우산측 중공부를 원하는 단열재나 가스로 충전하는 것이 용이하게 되고, 또한 접합을 진공 또는 감압하에서 행함으로써, 우산측 중공부를 저열전도성의 진공 또는 감압으로 유지할 수 있다.

본 발명에 따른 중공 포핏 밸브에 의하면, 격벽의 설치 위치나 상하 길이를 변경하기 쉬워, 사용 차종 등에 따라 적당하게 설정함으로써, 적절한 단열 효과와 열방산 효과가 얻어진다. 또한, 상기 격벽에 의해, 단열 공간부나 냉각부가 형성된 포핏 밸브의 기계적 또는 열적 강도가 상승한다.

청구항 2에 따른 중공 포핏 밸브에 의하면, 고온에 노출되기 쉬운 우산부의 연소실측 표면, 상기 우산부로부터 상기 축부에 걸친 외주면 및 우산측 중공부 내벽의 적어도 1개소에, 열전도율이 낮은 단열층을 형성하고 있고, 이것에 의해 이들 개소가 연소실 내나 배기로 내의 연소 가스의 열에 의해 열에 대해 손상되는 일이 회피되고, 또한 우산측 중공부의 연소실측의 내벽에 단열층을 형성함으로써, 연소실측으로부터 우산측 중공부으로 열이 전도되는 것을 억제한다. 또한 우산측 중공부의 축부측의 내벽에 단열층을 형성하면, 연소실 내의 열이 축부측에 전도되는 것을 억제한다.

청구항 3에 따른 중공 포핏 밸브에 의하면, 격벽과 밸브 본체를 일체 성형한 포핏 밸브에 있어서, 성형시의 변형이 큰, 상기 축부와 상기 우산부의 경계 부근의 강도 향상에 대한 기여가 커진다.

청구항 4에 따른 중공 포핏 밸브에 의하면, 격벽을 상기 단열 공간부와 상기 냉각부의 용적을 비교적 자유롭게 설정할 수 있고, 따라서 단열 효과와 열방산 효과를 각각의 최적값에 근접시킬 수 있다.

청구항 5에 따른 중공 포핏 밸브에 의하면, 캡재가 접합하여 우산측 중공부의 바닥면을 형성하기 때문에, 우산측 중공부 내에 원하는 가스나 단열재를 충전하거나, 상기 우산측 중공부를 진공 또는 감압으로 유지하는 것을 용이하게 행할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예인 중공 포핏 밸브의 종단면도이다.
도 2는 제1 실시예의 중공 포핏 밸브의 제조 공정을 도시하는 도면으로, (a)는 밸브 중간품인 쉘을 단조하는 열간단조 공정, (b)는 우산부 근처 소직경 중공부에 상당하는 구멍을 뚫는 구멍뚫기 공정, (c)는 축단부 근처 소직경 중공부에 상당하는 구멍을 뚫는 구멍뚫기 공정, (d)는 소직경 중공부에 냉각재를 충전하는 냉각재 장전 공정, (e)는 축단 부재를 축 접합하는 축 접합 공정(소직경 중공부 밀폐 공정), (f)는 우산부 외각의 오목부(대직경 중공부)의 개구측 내주면에 캡을 접합하는 공정(대직경 중공부 밀폐 공정)을 도시하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예인 중공 포핏 밸브의 종단면도이다.
도 4는 본 발명의 제3 실시예인 중공 포핏 밸브의 종단면도이다.
도 5는 본 발명의 제4 실시예인 중공 포핏 밸브의 종단면도이다.
도 6은 본 발명의 제5 실시예인 중공 포핏 밸브의 종단면도이다.
도 7은 본 발명의 제6 실시예인 중공 포핏 밸브의 종단면도이다.
도 8은 제6 실시예의 중공 포핏 밸브의 제조 공정을 도시하는 도면으로, (a)는 밸브 중간품인 쉘을 단조하는 열간단조 공정, (b)는 우산부의 외각의 구면 형상의 오목부 바닥면(대직경 중공부의 천정면)에 단차 부착 평탄부를 형성하는 공정(단차 부착 평탄부 형성 공정), (c)는 우산부 외각의 오목부 바닥면(대직경 중공부의 천정면)으로부터 축부에 걸쳐 소직경 중공부에 상당하는 구멍을 뚫는 구멍뚫기 공정, (d)는 우산부 외각의 오목부측으로부터 소직경 중공부에 냉각재를 충전하는 냉각재 장전 공정, (e)는 소직경 중공부의 개구부에 플러그를 압입하고 납땜 등으로 접합하는 공정(소직경 중공부 밀폐 공정), (f)는 우산부 외각의 오목부(대직경 중공부)의 개구측 내주면에 캡을 용접하는 공정(대직경 중공부 밀폐 공정)을 도시하는 도면이다.

다음에 본 발명의 실시형태를 실시예에 기초하여 설명한다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예인 내연기관용의 중공 포핏 밸브를 도시한다.

도 1에 있어서, 부호 10은, 똑바로 뻗는 밸브 축부(12)의 일단측에, 외경이 서서히 커지는 R 형상의 필릿부(13)을 통하여, 밸브 우산부(14)가 일체로 형성된 내열 합금제의 중공 포핏 밸브로서, 밸브 우산부(14)의 외주에는 테이퍼 형상의 페이스부(16)가 마련되어 있다.

중공 포핏 밸브(10) 내의 중공부는 밸브 우산부(14)와 밸브 축부(12) 간의 필릿부(13)에 대응하는 위치에 설치된 두께가 x1인 격벽(15)에 의해, 밸브 우산부(14)측의 대직경 중공부(우산측 중공부)(S1)와, 밸브 축부(12)측의 소직경 중공부(축측 중공부)(S2)로 분리됨과 아울러, 분리된 대직경 중공부(S1)에는 상압의 공기, 질소, 아르곤 등의 가스가 충전되거나 진공 또는 감압으로 유지되고, 소직경 중공부(S2)에는 불활성 가스와 함께 냉각재(19)가 각각 장전되어 있다. 상기 대직경 중공부(S1)는 열전도성이 낮은 진공으로 유지하는 것이 바람직하다.

상세하게는, 밸브 우산부(14) 내에는, 구면 형상의 천정면(14b1) 및 밸브 우산부(14)의 외형과 거의 유사한 테이퍼 형상의 외주면(경사면)(14b2)을 구비한 구면(돔) 형상의 대직경 중공부(S1)가 설치되고, 한편, 밸브 축부(12) 내에는, 대직경 중공부(S1)의 구면 형상 천정면(14b1)에 대하여 직교하도록 이 천정면(14b1)의 근방까지 뻗는 가늘고 긴 원기둥 형상의 소직경 중공부(S2)가 설치되고, 소직경 중공부(S2)와 대직경 중공부(S1) 사이에는, 밸브 우산부(14)에 일체로 형성된 두께(x1)의 격벽(15)이 설치되어 있다.

더욱 상세하게는 축부(12a)의 일단측에 우산부 외각(14a)이 일체로 형성되고, 축부(12a)의 타단측에 개구하는 소직경 중공부(S2)에 상당하는 구멍이 형성된 밸브 중간품인 축 일체형 쉘(이하, 단지 쉘이라고 함)(11)과, 쉘(11)의 우산부 외각(14a)의 구면 형상의 오목부(14b)에서의 개구측 내주면(14c)에 접합된 원반 형상의 캡(18)과, 쉘(11)의 축부(12a)에 축 접합된 축단 부재(12b)에 의해, 밸브 우산부(14) 내의 중공부(S1)와 밸브 축부(12) 내의 중공부(S2)가 격벽(15)을 통하여 분리된 중공 포핏 밸브(10)가 구성되고, 중공부(S1)에는 공기, 질소, 아르곤 등의 가스가 충전되고, 중공부(S2)에는 불활성 가스와 함께 냉각재(19)가 각각 장전되어 있다. 냉각재(19)의 장전량은, 예를 들면, 중공부(S2)의 용적의 거의 1/2∼4/5이다.

또한, 도 1에 있어서의 부호 2는 실린더 헤드, 부호 6은 연소실(4)로부터 뻗는 배기 통로이며, 배기통로(6)의 연소실(4)로의 개구 주연부에는, 밸브(10)의 페이스부(16)를 맞닿게 할 수 있는 테이퍼면(8a)을 구비한 둥근 고리 형상의 밸브 시트(8)가 설치되어 있다. 부호 3은 실린더 헤드(2)에 설치된 밸브 삽입통과 구멍이며, 밸브 삽입통과 구멍(3)은 밸브(10)의 축부(12)가 미끄럼 접촉하는 원통 형상의 밸브 가이드(3a)로 구성되어 있다. 부호 9는 밸브(10)를 밸브 폐쇄 방향(도 1의 상방향)으로 탄성 가압하는 밸브 스프링, 부호 12c는 밸브 축부(12)의 단부에 설치된 코터 홈이다.

캡(18)은 저열전도의 재료(예를 들면, 인코넬 등)의 재료를 사용하고, 또한 연소실(4)이나 배기통로(6)의 고온 가스에 노출되는 부위인, 쉘(11)은 내열강(예를 들면, SUH35 등)으로 구성되어 있는 것에 반해, 기계적 강도가 요구되지만, 쉘(11) 및 캡(18) 정도의 내열성이 요구되지 않는 축단 부재(12b)는 쉘(11)에서 사용하는 내열강의 염가재(예를 들면, SUH11 등) 등으로 구성되어 있다.

이와 같이 구성된 중공 포핏 밸브(10)의 격벽(15)보다 하방의 중공부(S1)에는 통상 공기가 충전되지만, 이 공간에 단열재를 장전해도 된다. 이 단열재의 재질로서는 내열 금속이나 카본 등이 있고, 예를 들면, 스테인리스강제의 부직포, 단섬유, 장섬유, 분말, 또는 철망, 혹은 유리상 탄소의 미세한 구에 의해 구성된, 공극률이 약25∼80%의 필터로서 사용할 수 있다. 또한 다른 구체예로서 금속제 부직포가 보강 철망이나 보호 철망을 적층하여 이루어지는, 적층 금속 부직포 필터를 예시할 수 있다. 이 단열재는 취급이 용이하게 된다. 또한 상기 단열재는 내열금속사를 입체적으로 형성한 금속 직물로 구성해도 된다.

중공부(S1) 내에 공기를 충전하거나, 혹은 단열재를 장전함으로써, 이 중공부(S1)의 열전도율이 저하되고, 이것에 의해, 연료의 연소에 의해 발생하는 에너지가 열로서 밸브 본체를 통하여 외부로 빼앗기는 양이 적어진다(냉각 손실이 작아진다.).

상기 격벽(15)보다 상방의 중공부(S2) 내의 금속 나트륨 등의 냉각재는 냉각부의 외벽면과 이 냉각부의 주위의 혼합 기체를 냉각한다. 냉각부는 중공 형상으로 성형되어 있기 때문에, 고온에 의해 고온 강도의 저하가 생겨 손상되기 쉬워지지만, 상기 냉각재에 의해 냉각되기 때문에, 열적인 손상이 생길 우려가 거의 생기지 않게 된다.

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 구성되어, 소직경 중공부(S21, S22) 사이에는, 둥근 고리 형상의 단차부(17)가 형성됨과 아울러, 단차부(17)를 초과한 위치까지 냉각재(19)가 장전되어 있다.

이 때문에, 소직경 중공부(S2) 내의 냉각재(19)가, 밸브(10)가 개폐 동작할 때에 작용하는 관성력에 의해 상하 방향으로 이동할 때에, 단차부(17) 근방에 난류가 발생하여, 냉각재(19)가 교반되게 되어, 밸브 축부(12)에 있어서의 열방산 효과(열전도성)가 개선되어 있다.

또한 소직경 중공부(S) 내의 단차부(17)는, 도 1에 도시하는 바와 같이, 밸브 가이드(3)의 배기통로(6)에 면하는 측의 단부(3b)에 대략 대응하는 위치에 설치되고, 내경이 큰 축단부 근처 소직경 중공부(S21)를 축방향으로 길게 형성함으로써 밸브(10)의 내구성을 저하시키지 않고, 밸브 축부(12)의 냉각재(19)와의 접촉 면적이 증가하여, 밸브 축부(12)의 열전달 효율이 높아지고, 소직경 중공부(S21) 형성 벽이 얇아져, 밸브(10)도 경량으로 된다. 즉 소직경 중공부(S2) 내의 단차부(17)는, 도 1의 가상선으로 나타내는 바와 같이, 밸브(10)가 밸브 완전 개방(하강)된 상태에서, 배기통로(6) 내가 되지 않는 소정 위치(밸브 축부(12)에 있어서의 얇은 소직경 중공부(S21) 형성 벽이 배기통로(6) 내의 열의 영향을 받기 어려운 소정 위치)에 설치되어 있다. 도 1의 부호 17X는 밸브(10)가 밸브 완전 개방(하강)된 상태에서의 단차부(17)의 위치를 나타낸다.

상세하게는, 금속의 피로 강도는 고온으로 될수록 저하되기 때문에, 항상 배기통로(6) 내에서 고열에 노출되는 부위인, 밸브 축부(12)에 있어서의 밸브 우산부(14) 근처의 영역은 피로 강도의 저하에 견딜 수 있을 정도의 두께로 형성할 필요가 있다. 한편, 열원으로부터 떨어지고, 게다가 항상 밸브 가이드(3a)에 미끄럼 접촉하는 부위인, 밸브 축부(12)에 있어서의 축단부 근처의 영역은 냉각재(19)를 통하여 연소실(4)이나 배기통로(6)의 열이 전달되지만, 전달된 열은 밸브 가이드(3a)를 통하여 즉시 실린더 헤드(2)에 방열되기 때문에, 밸브 우산부(14) 근처의 영역 정도의 고온으로 되지는 않는다.

즉 밸브 축부(12)에 있어서의 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 형성하여, 제1로는, 소직경 중공부(S2) 전체의 표면적(냉각재(19)와의 접촉 면적)을 늘림으로써 밸브 축부(12)에서의 열전달 효율이 향상되었다. 제2로는, 소직경 중공부(S2) 전체의 용적을 늘림으로써 밸브(10)의 총중량이 경감되었다.

또한 밸브의 축단 부재(12b)는 쉘(11) 정도의 내열성이 요구되지 않기 때문에, 쉘(11)의 재료보다도 내열성이 낮은 염가재(예를 들면, SUH 11 등)를 사용함으로써 밸브(10)를 저렴하게 제공할 수 있다.

또한 선행특허문헌 2와 같이, 밸브 축부에서 밸브 우산부에 걸쳐 중공으로 구성된 중공 밸브는, 밸브 축부가 중실체로 구성된 중공 밸브와 비교하여, 밸브 축부의 굽힘이나 비틀림에 대한 강도가 낮지만, 본 실시예의 밸브(10)에서는, 소직경 중공부(S2)와 대직경 중공부(S1)를 분리하는 격벽(15)이 밸브 우산부(14)에 일체로 형성되어, 밸브 축부(12)의 굽힘이나 비틀림에 대한 강도의 저하를 보충하므로, 그만큼 내구성이 우수하다.

다음에 제 1 실시예의 중공 포핏 밸브(10)의 제조 공정을 도 2에 기초하여 설명한다.

우선, 도 2(a)에 도시하는 바와 같이, 열간 단조 공정에 의해, 구면 형상의 오목부(14b)를 설치한 우산부 외각(14a)과 축부(12a)를 일체로 형성한 쉘(11)을 성형한다. 우산부 외각(14a)에 있어서의 구면 형상의 오목부(14b)의 바닥면(14b1)은 축부(12a)(쉘(11)의 중심축선(L))에 대하여 직교하는 구면으로 형성되어 있다.

열간단조 공정으로서는, 금형을 차례차례 바꾸는 압출 단조로서, 내열강제 블록으로부터 쉘(11)을 제조하는 압출 단조, 또는 업세터로 내열강제 봉재의 단부에 구 형상부를 업세팅한 후에, 금형을 사용하여 쉘(11)(의 우산부 외각(14a))을 단조하는 업세팅 단조, 어느 것이어도 된다. 또한, 열간단조 공정에 있어서, 쉘(11)의 우산부 외각(14a)과 축부(12a) 사이에는 R 형상 필릿부(13)가 형성되고, 우산부 외각(14a)의 외주면에는 테이퍼 형상 페이스부(16)가 형성된다.

다음에, 도 2(b)에 도시하는 바와 같이, 쉘(11)의 축부(12a)의 단부측으로부터 소직경 중공부(S22)에 상당하는 구멍(14e)을 드릴 가공에 의해 뚫는다(구멍뚫기 공정). 이 구멍뚫기 공정에 의해, 대직경 중공부(S1)를 구성하는 우산부 외각(14a)의 오목부(14b)와, 소직경 중공부(S22)를 구성하는 축부(12a) 측의 구멍(14e)을 분리하는 격벽(15)이 형성된다.

다음에 도 2(c)에 도시하는 바와 같이, 쉘(11)의 축부(12a)의 단부측으로부터, 소직경 중공부(S21)에 상당하는 구멍(14f)을 드릴 가공에 의해 뚫어, 단차부(17)를 형성한다(구멍뚫기 공정).

다음에, 도 2(d)에 도시하는 바와 같이, 쉘(11)의 축부(12a)를 위를 향하게 하여 배치하고, 소직경 중공부(S2)에 상당하는 구멍(14e, 14f) 내에 냉각재(고체)(19)를 소정량 충전한다(냉각재 장전 공정).

다음에, 도 2(e)에 도시하는 바와 같이, 아르곤 가스 분위기하에서, 쉘(11)의 축부(12a)에 축단 부재(12b)를 축 접합한다(소직경 중공부 밀폐 공정).

최후에, 도 4(f)에 도시하는 바와 같이, 아르곤 가스 분위기하에서, 우산부 외각(14a)의 오목부(14b)의 개구측 내주면(14c)에 캡(18)을 접합(예를 들면, 저항 접합)하고, 밸브(10)의 대직경 중공부(S1)를 밀폐(대직경 중공부 밀폐 공정)하고, 축단부에 코터 홈(12c)(도 1 참조)을 형성하는 가공을 함으로써 밸브(10)가 완성된다. 또한, 캡(18)의 접합은, 저항 접합 대신에, 전자빔 용접이나 레이저 용접 등을 채용해도 된다. 또한 캡(18)을 접합할 때, 전술의 아르곤 가스 분위기 대신에, 감압 상태에서 접합하면, 대직경 중공부(S1) 내를 감압으로 할 수 있다.

도 3은 본 발명의 제2 실시예인 내연기관용의 중공 포핏 밸브를 도시한다.

제2 실시예의 중공 포핏 밸브(10A)(쉘(11A))에서는 격벽(15A)의 두께를 제1 실시예의 격벽(15)의 두께(x1)보다 두꺼운 x2로 한(x1<x2) 것 이외는 제1 실시예와 동일한 구성을 갖는다. 제1 실시예와 동일 부재에는 동일한 부호를 붙임으로써, 그 중복된 설명은 생략한다. 제2 실시예의 포핏 밸브에서는, 격벽(15A)의 두께(상하 방향의 길이)를 제1 실시예보다 두껍게 했으므로, 기계적 강도가 비교적 약한 필릿부(13)가 강화된다. 이와 같이, 격벽(15A)의 두께를 적당히 조절함으로써, 필요 충분한 강도를 얻을 수 있다.

또한, 도 3에 도시한 제 2 실시예의 중공 포핏 밸브(10A)를 제조하기 위해서는, 도 2(b)의 구멍뚫기 공정에서의 구멍(14e) 뚫기 드릴 가공시의 구멍뚫기 거리를 (x2-x1)만큼 짧게 하는 공정을 가하면 된다.

도 4는 본 발명의 제3 실시예인 중공 포핏 밸브를 나타낸다. 제3 실시예의 중공 포핏 밸브(10B)는 상기 제2 실시예의 변형예로서, 제2 실시예와 동일 부재에는 동일한 부호를 붙이고 설명을 생략한다. 제3 실시예에서는, 구면 형상의 천정면(14b1)의 정상부에, 중심축선(L)을 따라 요입부(凹入部)(14g)를 형성하고, 이 요입부(14g)와 소직경 중공부(S2) 간에 격벽(15B)이 형성된다.

이 제3 실시예에서는, 요입부(14g)의 길이를 조절함으로써, 상기 요입부(14g)의 체적을 증감시켜, 대직경 중공부(S1)와 합친 단열 공간의 체적을 최적으로 설정하여, 바람직한 단열 효율을 얻을 수 있다.

도 5는 본 발명의 제4 실시예인 중공 포핏 밸브를 도시한다. 제4 실시예의 중공 포핏 밸브(10C)는 상기 제2 실시예의 변형예로서, 제2 실시예와 동일 부재에는 동일한 부호를 붙이고 설명을 생략한다. 제4 실시예에서는, 우산부 외각(14a)의 바닥면 및 캡(18)의 하면, R 형상의 필릿부(13) 및 우산측 중공부(S1) 내벽에 세라믹스 등으로 이루어지는 단열층(21)이, 예를 들면, 용사(溶射)에 의해 피복 형성되어 있다. 이 단열층(21)은 우산부 외각(14a)의 바닥면과 캡(18)의 하면, 필릿부(13) 및 우산측 중공부 내벽의 적어도 1개소에 피복하면 된다. 여기에서, 우산측 중공부(S1) 내벽은 우산측 중공부(S1)의 돔 형상의 구 형상 오목부(14b)와 캡(18) 상면이 포함되고, 이들 전부 또는 일부에 단열층(21)을 형성한다.

중공 포핏 밸브(10C) 중, 우산부 외각(14a)의 바닥면과 캡(18)의 하면은 연소실(4)의 고온에 노출되고, 또한 포핏 밸브가 배기 밸브인 경우에는, 상기 필릿부(13)가 배기로 내의 고온의 혼합 기체에 노출된다. 이들 개소에 단열층(21)을 형성함으로써 내열성이 향상되어, 고온 안정성이 얻어진다. 또한 우산측 중공부 내벽의 캡(18) 상면에 단열층(21)을 형성하면, 캡(18) 하면측의 단열층(21)에서는 차단할 수 없었던 열이 차단되어, 우산측 중공부에 열이 전도되는 것을 억제할 수 있다. 또한 구 형상 오목부(14b)에 형성된 단열부에 의해, 우산 형상 중공부(S1) 내의 열이 축부 방향으로 전달되는 것을 억제할 수 있다.

도 6은 본 발명의 제5 실시예인 중공 포핏 밸브를 도시한다. 제5 실시예의 중공 포핏 밸브(10D)는 상기 제1 실시예의 변형예로서, 제1 실시예와 동일 부재에는 동일한 부호를 붙이고 설명을 생략한다. 제5 실시예에서는, 대직경의 중공부(S1')가 반구 형상이 아니라, 대략 원추대 형상으로 형성되고, 따라서 상기 대직경의 중공부(S1')의 천정면이 평면(14c)으로서 형성되며, 또한 소직경의 중공부(S2')에 제1 실시예에서의 단차부(17)가 형성되어 있지 않다. 이 제5 실시예에서도, 전술의 각 실시예와 마찬가지로, 격벽(15C)에 의해 상기 대직경의 중공부(S1')와 소직경의 중공부(S2')가 구획되고, 각각 단열 효과와 냉각 효과가 발휘된다. 소직경의 중공부(S2') 내에서의 대류는 발생하지 않지만, 그 만큼 제조가 간략하게 된다.

도 7은 본 발명의 제6 실시예인 중공 포핏 밸브를 도시한다. 전술의 실시예에서는, 중공 포핏 밸브는, 밸브 축부 내의 소직경 중공부와 밸브 우산부 내의 대직경 중공부는 쉘에 일체로 형성된 격벽에 의해 분리되어 있는 것에 반해, 이 제6 실시예의 중공 포핏 밸브(10E)에서는 밸브 축부(12) 내의 소직경 중공부(S2")와 밸브 우산부(14) 내의 대직경 중공부(S1")는 소직경 중공부(S2")의 대직경 중공부(S1")에의 개구부 내에 고정되어 격벽을 구성하는 쉘(11E)과 동일 재료의 내열강 혹은 그것보다도 저열전도의 재료(예를 들면, 인코넬 등)의 플러그(원기둥체)(15D)에 의해 분리되어 있다. 이 플러그(15D)는 대직경 중공부(S1") 방향으로부터 압입(끼워넣기)함으로써 소정 위치에 고정된다. 이 제6 실시예에서는, 대직경 중공부(S1")의 경사 외주면(14b2)의 정상부 부근에 단차 부착 평탄부(14b3)가 형성되어 있다.

그 밖의 구성은 상기한 제1 실시예에 따른 중공 포핏 밸브(10)와 동일하며, 동일한 부호를 붙임으로써 그 중복된 설명은 생략한다.

이 제6 실시예의 밸브(10E)에서는 중공부(S1", S2")를 분리하는 격벽인 플러그(15D)가 밸브(10E)의 소재인 내열강과 동일 재료 혹은 그것보다도 저열전도의 재료로 구성되어 있으므로, 중공부(S1")로부터 전달되는 열을 격벽으로 더욱 억제할 수 있어, 그민큼 단열 효과가 우수하다. 또한 축 접합하지 않고 가공할 수 있으므로, 새롭게 축 접합 공정을 마련할 필요가 없어, 공정을 생략할 수 있다.

다음에 중공 포핏 밸브(10E)의 제조 공정을 도 8에 기초하여 설명한다.

우선, 도 8(a)에 도시하는 바와 같이, 열간단조 공정에 의해, 구면 형상의 오목부(14b)를 설치한 우산부 외각(14a)과 밸브 축부(12)를 일체로 형성한 쉘(11E)을 성형한다.

다음에, 도 8(b)에 도시하는 바와 같이, 대직경 중공부(S1")의 구형면의 정상부 부근에 절삭 등에 의해, 단차 부착 평탄부(14b3)를 형성한다(단차 부착 평탄부 형성 공정).

다음에 도 8(c)에 도시하는 바와 같이, 우산부 외각(14a)의 오목부(14b)가 위를 향하게 되도록 쉘(11B)을 배치하고, 우산부 외각(14a)의 오목부(14b)측의 상기 단차 부착 평탄부(14b3)로부터 밸브 축부(12)에 걸쳐 소직경 중공부(S2")에 상당하는 둥근 구멍(14e)을 드릴 가공에 의해 뚫는다(구멍뚫기 공정). 구멍뚫기 공정에 의해, 대직경 중공부(S1")를 구성하는 우산부 외각(14a)의 오목부(14b)와, 소직경 중공부(S2")를 구성하는 밸브 축부(12)측의 둥근 구멍(14e)이 연통한다. 이 구멍 뚫기 공정에서는, 단차 부착 평탄부(14b3)로부터 드릴 가공을 할 수 있기 때문에, 정확하고 또한 용이하게 둥근 구멍(14e)을 뚫을 수 있다.

다음에, 도 8(d)에 도시하는 바와 같이, 쉘(11B)의 우산부 외각(14a)의 오목부(14b)의 둥근 구멍(14e)에 냉각재(고체)(19)를 소정량 충전한다(냉각재 장전 공정).

다음에 도 8(e)에 도시하는 바와 같이, 아르곤 가스 분위기하에서, 우산부 외각(14a)의 오목부(14b) 내의 구멍(14e)의 개구부에 플러그(15B)를 압입하고 납땜에 의해 고정하여, 소직경 중공부(S2")를 밀폐한다.

최후에, 도 8(f)에 도시하는 바와 같이, 아르곤 가스 분위기하에서, 우산부 외각(14a)의 오목부(14b)에 캡(18)을 접합한 후, 축단부에 코터 홈을 형성하는 가공을 시행함으로써 밸브(10E)가 완성된다.

10, 10A, 10B, 10C, 10D, 10E 중공 포핏 밸브
11, 11A, 11B, 11C,11D, 11E 우산부 외각과 축부를 일체로 형성한 밸브 중간품인 쉘
12 밸브 축부
12a 쉘의 축부
14 밸브 우산부
14a 우산부 외각
14b 우산부 외각의 오목부
14b1 대직경 중공부의 천정면
14b2 대직경 중공부의 테이퍼 형상 외주면
14b3 단부착 평탄부
15, 15A, 15B.15D 격벽
15E 격벽을 구성하는 플러그(원기둥체)
17 단차부
18 캡
19 냉각재
21 단열층
L 밸브의 중심축선
S1, S1'，S1" 원추대 형상의 우산측 중공부(대직경 중공부)
S2, S2'，S2" 직선 형상의 축측 중공부(소직경 중공부)
S21 축단부 근처 소직경 중공부
S22 우산부 근처 소직경 중공부

Claims

축부의 일단측에 우산부를 일체로 형성한 중공 포핏 밸브에 있어서,
상기 밸브에는 격벽으로 분리된 우산측 중공부와 축측 중공부가 형성되고, 상기 우산측 중공부에는 가스 또는 밸브 형성 금속보다 저열전도율의 재료를 수용하여 단열부가 구성되고, 또한 상기 축측 중공부에는 냉각재가 장전되어 있는 것을 특징으로 하는 중공 포핏 밸브.
제1항에 있어서,
상기 우산부의 연소실측 표면, 상기 우산부에서 상기 축부에 걸친 외주면 및 우산측 중공부 내벽의 적어도 1개소에 단열층을 형성한 것을 특징으로 하는 중공 포핏 밸브.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 격벽은 밸브 본체와 일체 성형되어 있는 것을 특징으로 하는 중공 포핏 밸브.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 격벽은 상기 축부의 내경과 실질적으로 동일한 외경을 갖는 원기둥체를 상기 냉각부 내에 끼워넣어 소정 위치에 고정되는 것을 특징으로 하는 중공 포핏 밸브.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 우산부의 연소실측에는 우산측 중공부의 바닥면을 형성하는 캡재가 접합된 것을 특징으로 하는 중공 포핏 밸브.