WO2014141416A1

WO2014141416A1 - 中空ポペットバルブ

Info

Publication number: WO2014141416A1
Application number: PCT/JP2013/057133
Authority: WO
Inventors: 摂常石; 直哉石原
Original assignee: 日鍛バルブ株式会社
Priority date: 2013-03-14
Filing date: 2013-03-14
Publication date: 2014-09-18
Also published as: JP6033402B2; CA2903383A1; RU2615885C1; BR112015022247A2; CN104981589A; CN104981589B; EP2975229A4; US20150354727A1; JPWO2014141416A1; BR112015022247B1; PL2975229T3; KR20150128653A; EP2975229A1; KR101688576B1; CA2903383C; EP2975229B1; US9611953B2

Abstract

バルブ軸部の小径中空部(S2)の軸方向所定位置に、乱流を発生させるための段差部を設けることで、熱引き効果が改善された中空ポペットバルブを提供する。軸部の一端側に傘部(14)を一体的に形成したポペットバルブの傘部(14)から軸部(12)にかけて中空部(S)が形成され、中空部(S)に冷却材(19)が装填された中空ポペットバルブ(10)で、傘部(14)内の大径中空部(S1)に連通する軸部(12)内の小径中空部(S2)の軸端部寄り中空部(S21)の内径を傘部寄り中空部(S22)より大きくして、小径中空部(S2)に段差部(17)を設け、該段差部(17)を越えた位置まで冷却材(19)を装填した。バルブ(10)の上下動作に伴って冷却材(19)が小径中空部(S2)内を移動する際に、段差部(17)近傍に乱流が発生して、冷却材(19)の攪拌を促進する。

Description

中空ポペットバルブ

　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。

ＷＯ2010／041337 特開2011-179328

　従来の冷媒入り中空ポペットバルブでは、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。

　本発明は、前記した従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、傘部内の大径中空部に連通する直線状の小径中空部の軸方向所定位置に、乱流を発生させるための段差部を設けることで、中空部内の冷却材の攪拌を促して、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、
　前記中空部は、前記バルブ傘部内の大径中空部と、該大径中空部の中央部において略直交するように連通する、前記バルブ軸部内の直線状の小径中空部とを備え、
　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）バルブの開閉動作(上下方向の動作)に伴って、冷却材は、中空部内を軸方向に移動する。そして、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、中空部内の冷却材（液体）に慣性力が上向きに作用するため、冷却材（液体）は小径中空部内を上方に移動するが、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が発生し、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）に慣性力が下向きに作用するため、冷却材（液体）は小径中空部内を下方に移動するが、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が発生し、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発生する乱流が、小径中空部内の冷却材を攪拌し、これによって中空部内全体の冷却材の少なくとも上層部が攪拌されて、中空部内の冷却材による熱伝達が活発となる。

　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、前記小径中空部内の段差部は、前記バルブをエンジンの燃焼室に開口する排気通路または吸気通路に配設した際に、前記排気通路または吸気通路内とならない所定位置に設けるように構成した。

　（作用）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（または吸気通路）内にあって高熱にさらされる部位である、バルブ軸部におけるバルブ傘部寄りの領域は、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に摺接する部位である、バルブ軸部における軸端部寄りの領域は、冷却材を介して燃焼室や排気通路（または吸気通路）の熱が伝達されるものの、伝達された熱はバルブガイドを介して直ちにシリンダヘッドに放熱されるため、バルブ傘部寄りの領域ほどの高温となることがない。したがって、バルブ軸部における軸端部寄り領域は、バルブ傘部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。

　また、軸端部寄り小径中空部の内径を大きくすれば、第１には、小径中空部全体の表面積（冷却材との接触表面積）が増え、バルブ軸部における熱伝達効率が上がる。第２には、小径中空部全体の容積が増え、バルブの総重量を軽量化できる。第３には、冷却材の装填量を増やすことで、バルブ軸部の熱引き効果（熱伝導性）が上がる。そして、小径中空部内の段差部がバルブ傘部寄りとなるほど、バルブの熱引き効果が高くなる。

　このため、小径中空部内の段差部は、バルブが開弁しきった状態で、少なくとも排気通路または吸気通路内とならない所定位置（例えば、バルブガイドの排気通路または吸気通路に臨む側の端部に略対応する位置）に設けることが最も望ましい。

　請求項３においては、前記大径中空部を、前記バルブ傘部の外形に略倣うテーパ形状の外周面を備えた円錐台形状に構成するとともに、前記バルブ軸部内に設けた小径中空部を前記円錐台形状の大径中空部の天井面に略直交するように連通させて、前記バルブが軸方向に往復動作する際、少なくとも前記大径中空部内の冷却材に前記バルブの中心軸線周りに縦方向内回りの循環流（対流）が形成されるように構成した。

　（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）には、図２（ａ）に示すように、中空部内の冷却材（液体）には慣性力が上向きに作用する。そして、大径中空部中央部の冷却材に作用する慣性力（上向き）が大径中空部周辺領域の冷却材に作用する慣性力よりも大きいため、大径中空部内の冷却材が連通部を介して小径中空部に移動しようとする。しかし、連通部には庇状の環状段差部が形成されているため、換言すれば、大径中空部の天井面（大径中空部における小径中空部の開口周縁部）がバルブの中心軸線に対し略直交する平面で構成されているため、冷却材は、連通部が滑らかな形状で形成されている従来の中空バルブのようにスムーズに小径中空部に移動できない。

　即ち、大径中空部内の冷却材には、上向きの慣性力が作用することで、図３（ａ）に示すように、環状段差部（大径中空部の天井面）に沿って連通部の中心（半径方向内側）に向かう流れＦ１，Ｆ２が発生する。そして、環状段差部に沿って連通部の中心（半径方向内側）に向かう流れＦ２同士が互いに衝突して、連通部においては、大径中空部底面側に向かう流れＦ３と、小径中空部Ｓ２の上方に向かう流れＦ４が発生する。連通部において、大径中空部底面側に向かう流れＦ３は、大径中空部底面に沿って半径方向外方から大径中空部天井面側に回り込み、再び、大径中空部の天井面に沿って連通部の中心（半径方向内側）に向かう流れＦ１，Ｆ２となる。一方、連通部において、小径中空部の上方に向かう流れＦ４，Ｆ５は、図３（ａ）に示すような乱流となる。

　このように、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内回りの循環流（対流）が形成され、小径中空部の冷却材では、Ｆ４，Ｆ５に示すような乱流が発生する。

　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、図２（ｂ）に示すように、中空部内の冷却材には慣性力が下向きに作用する。そして、大径中空部中央部の冷却材に作用する慣性力（下向き）が大径中空部周辺領域の冷却材に作用する慣性力よりも大きいため、図３（ｂ）に示すように、大径中空部内の冷却材には、大径中空部の中央部から底面に沿って半径方向外方に向かう流れＦ６が発生し、同時に、小径中空部においても連通部を通って下方に向かう流れ（乱流）Ｆ７が発生する。大径中空部の底面に沿った流れＦ６は、大径中空部の外方から天井面側に回りこみ、大径中空部Ｓ１の天井面に沿った流れＦ８となり、大径中空部の中央部において下方に向かう流れＦ６，Ｆ７に合流する。

　即ち、大径中空部の冷却材には、矢印Ｆ６→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循環流（対流）が形成され、小径中空部内の冷却材には、矢印Ｆ７に示すような乱流が形成される。

　このように、バルブが開閉動作することで、バルブの中空部内全体の冷却材に、図３（ａ），（ｂ）に示すような循環流Ｆ１→Ｆ２→Ｆ３；Ｆ６→Ｆ８や乱流Ｆ４，Ｆ５，Ｆ７，Ｆ９，Ｆ１０が形成されて、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。

　本願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(上下方向の動作)の際に小径中空部内の段差部近傍に乱流が発生して、中空部内の冷却材の少なくとも上層部から中層部が攪拌されるので、中空部内の冷却材による熱伝達が活発となって、バルブの熱引き効果（熱伝導性）が改善されて、エンジンの性能が向上する。

　請求項２に係る中空ポペットバルブによれば、耐久性に影響を与えない範囲で、バルブ軸部における軸端部寄りの小径中空部の内径を大きくしたので、バルブ軸部の熱引き効果（熱伝導性）がいっそう改善されるとともに、バルブ総重量が軽量化されて、エンジンの性能がいっそう向上する。

　請求項３に係る中空ポペットバルブによれば、バルブの開閉動作の際に、大径中空部内の冷却材に縦方向内回りの循環流が形成されて、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ので、中空部内全体の冷却材による熱伝達が活発となって、バルブの熱引き効果（熱伝導性）が著しく改善されて、エンジンの性能がよりいっそう向上する。

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す図で、（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を示し、（ｂ）は小径中空部に相当する孔を軸部に穿設する孔穿設工程を示し、（ｃ）は軸端部寄りの小径中空部に相当する孔を穿設する孔穿設工程を示し、（ｄ）は軸端部材を軸接する軸接工程を示し、（ｅ）は小径中空部に冷却材を充填する工程を示し、（ｆ）は不活性ガス雰囲気下で傘部外殻の凹部（大径中空部）の開口部にキャップを溶接する工程（大径中空部密閉工程）を示す。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。

　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、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、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。

　詳しくは、円筒形状の軸部１２ａの一端側に傘部外殻１４ａが一体的に形成され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（図１，４参照）と、シェル１１の軸部１２ａに軸接された軸端部材１２ｂと、シェル１１の傘部外殻１４ａの円錐台形状の凹部１４ｂにおける開口部１４ｃに溶接された円盤形状のキャップ１８とによって、傘部１４から軸部１２にかけて中空部Ｓが設けられた中空ポペットバルブ１０が構成され、中空部Ｓ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装填されている。冷却材１９の装填量は、多い方が熱引き効果に優れるものの、所定量以上では熱引き効果としての差が僅かとなるため、費用対効果（冷却材１９が多ければ、コストもかかること）を考慮して、例えば、中空部Ｓの容積の約１／２～約４／５の量が装填されていればよい。

　なお、図１における符号２はシリンダヘッドで、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が当接するテーパ面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の内周面は、バルブ１０の軸部１２が摺接するバルブガイド３ａで構成されている。符号９は、バルブ１０を閉弁方向（図１上方向）に付勢するバルブスプリング、符号１２ｃは、バルブ軸端部に設けたコッタ溝である。
　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は、一般的な鋼材で構成されている。

　また、バルブ１０内の中空部Ｓは、バルブ傘部１４内に設けられた円錐台形状の大径中空部Ｓ１と、バルブ軸部１２内に設けられた直線状（棒状）の小径中空部Ｓ２とが直交するように連通する構造で、大径中空部Ｓ１の円形天井面（小径中空部Ｓ１の開口周縁部である傘部外殻１４ａの円錐台形状の凹部１４ｂの底面）１４ｂ１は、バルブ１０の中心軸線Ｌに対し直交する平面で構成されている。

　即ち、大径中空部Ｓ１における小径中空部Ｓ２との連通部Ｐには、先行文献１，２のような滑らかな形状に代えて、大径中空部Ｓ１側から見て庇状の環状段差部１５が形成されており、この環状段差部１５の大径中空部Ｓ１に臨む側（面）１４ｂ１がバルブ１０の中心軸線Ｌに対し直交する平面で構成されている。換言すれば、小径中空部Ｓ２の開口周縁部（傘部外殻１４ａの円錐台形状の凹部１４ｂの底面）１４ｂ１と、小径中空部Ｓ２の内周面によって、庇状の環状段差部１５が画成されている。

　また、小径中空部Ｓ２は、バルブ軸端部寄りの、内径が比較的大きい小径中空部Ｓ２１と、バルブ傘部１４寄りの、内径が比較的小さい小径中空部Ｓ２２で構成されて、小径中空部Ｓ２１と小径中空部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、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には、図３（ａ），（ｂ）の矢印Ｆ１→Ｆ２→Ｆ３；６→Ｆ８に示すように、縦方向内回りの循環流（対流）が形成され、同時に、小径中空部Ｓ２内の大径中空部Ｓ１近傍の冷却材１９には、矢印Ｆ４，Ｆ５，Ｆ７に示すように、乱流が形成され、さらに、円環状の段差部１７近傍の冷却材１９には、図３（ａ），（ｂ）の矢印Ｆ９，Ｆ１０に示すように、乱流が形成される。

　即ち、バルブ１０の開閉動作の際に、中空部Ｓ内全体の冷却材１９に形成される循環流（対流）や乱流によって、中空部Ｓ内の冷却材１９の下層部，中層部，上層部が積極的に攪拌されることとなって、バルブ１０における熱引き効果（熱伝導性）が大幅に改善されている。

　特に、本実施例では、大径中空部Ｓ１の円形の天井面（円錐台の上面）１４ｂ１とその外周面（円錐台の外周面）１４ｂ２が鈍角をなすので、バルブ１０が開閉動作する際に、大径中空部Ｓ１の半径方向外方から大径中空部Ｓ１の天井面に沿って連通部Ｐに向かう冷却材１９の流れ（図３（ａ）のＦ１，Ｆ２および図３（ｂ）のＦ８）の発生がスムーズとなる分、大径中空部Ｓ２内の冷却材１９に形成される縦方向内回りの循環流（対流）が活発になるので、中空部Ｓ内の冷却材１９の攪拌がそれだけ促進されて、バルブ１０における熱引き効果（熱伝導性）が著しく改善されることになる。

　次に、バルブ１０が開閉動作する際の冷却材の動きを、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、中空部Ｓ内の冷却材（液体）１９に慣性力が上向きに作用する。そして、大径中空部Ｓ１中央部の冷却材１９に作用する慣性力（上向き）が大径中空部Ｓ１周辺領域の冷却材１９に作用する慣性力よりも大きいため、大径中空部Ｓ１内の冷却材１９が連通部Ｐを介して小径中空部Ｓ２に移動しようとする。しかし、連通部Ｐには庇状の環状段差部１５が形成されているため、連通部が滑らかな形状に形成されている、先行文献に示す従来の中空バルブのようにスムーズに小径中空部Ｓ２側に移動できない。

　即ち、大径中空部Ｓ１内の冷却材１９には、上向きの慣性力が作用することで、図３（ａ）に示すように、円環状の段差部１５（大径中空部Ｓ１の天井面１４ｂ１）に沿って連通部Ｐの中心（半径方向内側）に向かう流れＦ１，Ｆ２が形成される。そして、環状段差部１５に沿って連通部Ｐの中心（半径方向内側）に向かう流れＦ２同士が互いに衝突して、連通部Ｐにおいては、大径中空部Ｓ１底面側に向かう流れＦ３と、小径中空部Ｓ２の上方に向かう流れＦ４が発生する。

　連通部Ｐにおいて、大径中空部Ｓ１底面側に向かう流れＦ３は、大径中空部Ｓ１底面に沿って半径方向外方から大径中空部Ｓ１天井面に回り込み、再び、大径中空部Ｓ１の天井面に沿って連通部Ｐの中心（半径方向内側）に向かう流れＦ１，Ｆ２となる。一方、連通部Ｐにおいて、小径中空部Ｓ２の上方に向かう流れＦ４，Ｆ５は、図３（ａ）に示すような乱流となる。

　このように、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、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１０の中心軸線Ｌの周りに縦方向内回りの循環流（対流）が形成され、小径中空部Ｓ２内の冷却材１９には、Ｆ４，Ｆ５に示すような乱流が形成される。

　さらには、バルブ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、小径中空部Ｓ２内の冷却材１９は、上向きに作用する慣性力により、小径中空部Ｓ２内を上方に移動するが、内径の小さいバルブ傘部１４寄りの小径中空部Ｓ２２から内径の大きいバルブ軸端部寄りの小径中空部Ｓ２１に移動する際に、図３（ａ）に示すように、段差部１７の下流側で乱流Ｆ９が形成される。

　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、中空部Ｓ内の冷却材１９には慣性力が下向きに作用する。そして、大径中空部Ｓ１中央部の冷却材１９に作用する慣性力（下向き）が大径中空部Ｓ１周辺領域の冷却材１９に作用する慣性力よりも大きいため、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の中央部から底面に沿って半径方向外方に向かう流れＦ６が発生し、同時に、小径中空部Ｓ２においても連通部Ｐを通って下方に向かう流れ（乱流）Ｆ７が発生する。大径中空部Ｓ１の底面に沿った流れＦ６は、大径中空部Ｓ１の外方から天井面側に回りこみ、大径中空部Ｓ１の天井面に沿った流れＦ８となり、大径中空部Ｓ１の中央部（連通部Ｐ）において下方に向かう流れＦ６，Ｆ７に合流する。

　即ち、大径中空部Ｓ１内の冷却材１９には、矢印Ｆ６→Ｆ８→Ｆ６に示すように、バルブ１０の中心軸線Ｌの周りに縦方向内回りの循環流（対流）が形成され、小径中空部Ｓ２内の冷却材１９には、矢印Ｆ７に示すような乱流が形成される。

　さらには、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、開弁動作によって小径中空部Ｓ２内上方にいったん移動した冷却材（液体）１９に慣性力が下向きに作用するため、冷却材１９は小径中空部Ｓ２内を下方に移動するが、内径の大きいバルブ軸端部寄りの小径中空部Ｓ２１から内径の小さいバルブ傘部寄りの小径中空部Ｓ２２に移動する際に、図３（ｂ）に示すように、段差部１７の下流側で乱流Ｆ１０が形成される。

　このようにして、バルブ１０の開閉動作の際に、中空部Ｓ内全体の冷却材１９に形成される対流（循環流）や乱流によって、中空部Ｓ内の冷却材１９全体が積極的に攪拌されて、バルブ１０における熱引き効果（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Ｓ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難い所定位置）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、段差部１７の位置を、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、できるだけ下方の、バルブガイド３の下端部３ｂに略対応する位置とするとともに、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Ｓ２１全体の容積を増やすことで、バルブ１０の総重量が軽量化されている。

　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、熱間鍛造工程により、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における円錐台形状の凹部１４ｂの底面１４ｂ１は、軸部１２（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、耐熱鋼製金属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の底面１４ｂ１から軸部１２にかけて小径中空部Ｓ２２に相当する孔１４ｅをドリル加工により穿設する（孔穿設工程）。

　孔穿設工程により、大径中空部Ｓ１を構成する傘部外殻１４ａの凹部１４ｂと、小径中空部Ｓ２２を構成する軸部１２ａ側の孔１４ｅが連通することで、凹部１４ｂと孔１４ｅの連通部には、凹部１４ｂ側から見て庇状の環状段差部１５が形成される。

　次に、図４（ｃ）に示すように、シェル１１の軸端部側から、小径中空部Ｓ２１に相当する孔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、シェル１１の軸端部に軸端部材１２ｂを軸接する（軸端部材軸接工程）。
　次に、図４（ｅ）に示すように、シェル１１の傘部外殻１４ａの凹部１４ｂの孔１４ｅに冷却材（固体）１９を所定量挿入する（冷却材装填工程）。

　最後に、図４（ｆ）に示すように、アルゴンガス雰囲気下で、シェル１１の傘部外殻１４ａの凹部１４ｂの開口部１４ｃにキャップ１８を溶接（例えば、抵抗溶接）して、バルブ１０の中空部Ｓを密閉する（中空部密閉工程）。なお、キャップ１８の溶接は、抵抗溶接に代えて、電子ビーム溶接やレーザー溶接等を採用してもよい。

　図５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、バルブ傘部１４内の大径中空部Ｓ１が円錐台形状に構成されるとともに、バルブ軸部１２内の小径中空部Ｓ２が大径中空部Ｓ１の円形の天井面に直交するように連通しているが、この第２の実施例の中空ポペットバルブ１０Ａでは、バルブ軸部１２内の小径中空部Ｓ２が、先行特許文献１，２と同様、滑らかな曲線領域（内径が徐々に変わる遷移領域）Ｘを介してバルブ傘部１４内の略円錐形状の大径中空部Ｓ１’に連通している。

　即ち、符号１１Ａは、円筒形状の軸部１２ａの一端側に傘部外殻１４ａ’が一体的に形成されたバルブ中間品であるシェルで、シェル１１Ａの傘部外殻１４ａ’には、軸部１２ａ内の小径中空部Ｓ２に滑らかに連通する大径中空部Ｓ１’を画成する略円錐形状の凹部１４ｂ’が設けられている。
　その他は、前記した第１の実施例の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。

　この中空ポペットバルブ１０Ａにおいても、前記した第１の実施例の中空ポペットバルブ１０と同様、バルブ１０Ａの開閉動作(上下方向の動作)に伴って、冷却材１９が小径中空部Ｓ２内を軸方向に移動する際に段差部１７の近傍に発生する乱流（図示せず）が、小径中空部Ｓ２内の冷却材１９を攪拌し、これによって中空部Ｓ’内全体の冷却材１９の少なくとも上層部から中層部が攪拌されて、中空部Ｓ内の冷却材１９による熱伝達が活発となることで、バルブ１０Ａの熱引き効果が改善されている。

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シェル
１２　バルブ軸部
１２ａ　軸部
１２ｂ　軸端部材
１４　バルブ傘部
１４ａ，１４ａ’　傘部外殻
１４ｂ，１４ｂ’　傘部外殻の凹部
１４ｂ１　大径中空部の円形の天井面
１４ｂ２　傘部外殻の円錐台形状の凹部内周面
１５　大径中空部の天井面における小径中空部の開口周縁部である庇状の環状段差部
１７　円環状の段差部
１８　キャップ
１９　冷却材
Ｌ　バルブの中心軸線
Ｓ，Ｓ’　中空部
Ｓ１，Ｓ１’　大径中空部
Ｓ２　直線状の小径中空部
Ｓ２１　軸端部寄りの小径中空部
Ｓ２２　傘部寄りの小径中空部
Ｐ　連通部
Ｆ１→Ｆ２→Ｆ３；６→Ｆ８　縦方向内回りの循環流

Claims

　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、
　前記中空部は、前記バルブ傘部内の大径中空部と、該大径中空部の中央部において略直交するように連通する、前記バルブ軸部内の直線状の小径中空部とを備え、
　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中空ポペットバルブ。
　前記小径中空部内の段差部は、前記バルブがエンジンの燃焼室に開口する排気通路または吸気通路に配設された際に、前記排気通路または吸気通路内とならない所定位置に設けら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。
　前記大径中空部は、前記バルブ傘部の外形に略倣うテーパ形状の外周面を備えた円錐台形状に構成されるとともに、前記バルブ軸部内に設けた小径中空部が前記円錐台形状の大径中空部の天井面に略直交するように連通して、前記バルブが軸方向に往復動作する際、少なくとも前記大径中空部内の冷却材に前記バルブの中心軸線周りに縦方向内回りの循環流（対流）が形成される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。