(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸端部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、
前記傘部内には、該傘部の外形に倣うテーパ形状の外周面を備えた円錐台形状の大径中空部が設けられ、前記軸部内には、前記円錐台形状の大径中空部の天井面に直交するように連通する直線状の小径中空部が設けられ、前記大径中空部の天井面を形成する、前記小径中空部の前記大径中空部への開口周縁部が、前記バルブの中心軸線に対し直交する平面で構成されて、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中空ポペットバルブ。
【請求項３】
前記大径中空部は、前記小径中空部の開口周縁部が前記円錐台の上面に対し前記バルブの軸部側に所定距離オフセットする略円錐台形状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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
下記特許文献１、２等には、軸端部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。【０００３】
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。【０００４】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】ＷＯ２０１０／０４１３３７
【特許文献２】特開２０１１−１７９３２８
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
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。【０００７】
発明者は、バルブの熱引き効果を検証するべく、図９に示すように、中実バルブＡ、軸部に形成した中空部に冷却材を装填した中空バルブＢ、軸部から傘部にかけて形成した中空部に冷却材を装填した中空バルブＣの３タイプについて、熱引き効果を検証する実験を行なったところ、図４，５に示す結果が得られた。なお、図９に示すバルブＢ，Ｃの中空部には、冷却材である金属ナトリウムがアルゴンガスとともに封入されている。また、中空バルブＢは、傘部側の軸部に設けた中空部に冷却材を装填した後に、軸端部側が摩擦圧接により一体化（符号ｂ１は軸接位置を示す）された構造、中空バルブＣは、傘部の中空部に冷却材を装填した後に、キャップが中空部の開口部に溶接された構造である。【０００８】
詳しくは、バルブＡ，Ｂ，Ｃのそれぞれを自動車用エンジンに組み付け、所定時間の暖機運転（徐々に回転数を上げる）を行った後、所定の回転数で高負荷運転（スロットル全開運転）を所定時間続けた後に、バルブの表面温度を硬度法によって測定した。【０００９】
図４は、バルブの軸方向の表面温度（正確には、表面から０．５ｍｍの深さにおける温度）分布を示すもので、バルブＡ，Ｂ，Ｃいずれの場合も、表面温度Ｔは、傘部のフェース面位置から徐々に上がり、最高温度（Ｔｍａｘ）から徐々に下がる特性を示す。バルブＡの温度分布は、フィレット部の軸端側付近が最高温度（Ｔｍａｘ）となり、この最高温度（Ｔｍａｘ）を頂点とする略二次曲線で示される。バルブＢの温度分布も最高温度（Ｔｍａｘ）を頂点とする略二次曲線で示されるが、最高温度（Ｔｍａｘ）となる位置が傘部側に移行するとともに、バルブＡと比べて全体的に温度が低い。バルブＣの温度分布は、最高温度（Ｔｍａｘ）となる位置がさらに傘部側に移行するとともに、バルブＢと比べて全体的に温度が低い。【００１０】
詳しくは、バルブＢとバルブＣでは、フェース部外側寄りの温度にはそれほどの差がないが、フェース部内側寄りの温度に差が出るとともに、温度が減少に転じる最高温度（Ｔｍａｘ）位置は、中空バルブＢでは軸部のフィレット部にかかる位置にあるのに対し、中空バルブＣでは傘部と軸部間のフィレット部のほぼ中央部付近にある。【００１１】
また、図５は、バルブ傘表（傘部底面）の直径方向の温度分布を示すもので、バルブＡ，Ｂ，Ｃいずれの場合も、バルブ傘表（傘部底面）の中心における温度Ｔが最も高く、傘表中心から離れるに従って温度Ｔが下がる特性を示す。バルブＡ，Ｂでは、バルブ傘表（傘部底面）の中心が最高温度（Ｔｍａｘ）となるのに対し、中空バルブＣでは、バルブ傘表（傘部底面）中央部の所定範囲が最高温度（Ｔｍａｘ）となるとともに、特に最高温度（Ｔｍａｘ）がバルブＡ，Ｂに比べて大きく低下している。【００１２】
このように、中実バルブＡよりも、冷却材を中空部に装填した中空バルブＢ，Ｃの方が熱引き効果（熱伝導性）に優れ、冷却材の装填量の多い中空バルブＣが最も熱引き効果（熱伝導性）に優れていることがわかる。【００１３】
そして、中空バルブＣが熱引き効果（熱伝導性）に優れている理由を確認するべく、中空バルブＣが開閉動作（軸方向に往復動作）する際の冷却材の動きをコンピュータを用いてシミュレーション解析したところ、大径中空部と小径中空部間で冷却材（液体）がスムーズに移動していることが確認された。【００１４】
即ち、中空バルブＣでは、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）がスムーズに移動し、熱引き効果（熱伝導性）を高めていると、推定される。【００１５】
ここで発明者は、さらに熱引き効果（熱伝導性）を高めることはできないかと考えた。【００１６】
即ち、中空バルブＣでは、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、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とに注目した。【００１７】
そして、冷却材が攪拌されないということは、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）が上がらないことを意味する。【００１８】
即ち、発明者は、連通部が滑らかに連続する形状である中空バルブＣでは、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）が連通部をスムーズに移動できて、確かにバルブの熱引き効果が改善されている（図４，５参照）が、「滑らかに連続する形状の連通部」は、冷却材の軸方向へのスムーズな移動を可能とするがために、冷却材の攪拌が妨げられ（抑制され）て、本来はもっと高められるべきバルブの熱引き効果が十分に高められていないのではないか、と考えた。【００１９】
そして、発明者は、少なくとも大径中空部内の冷却材に対流が形成されれば、中空部内全体の冷却材に循環流が形成されて、冷却材の上層部，中層部，下層部が互いに混ざりあうように攪拌されて、熱引き効果（熱伝導性）が著しく改善されるのではないか、と考えた。【００２０】
具体的には、傘部内に設けた円盤状の大径中空部と軸部内に設けた棒状の小径中空部を略直交するように連通させて、大径中空部における小径中空部の開口周縁部をバルブの中心軸線に対し略直交する平面で構成した（大径中空部の小径中空部との連通部に庇状の環状段差部を形成した構造の）中空バルブについて、該中空バルブを開閉動作（軸方向に往復動作）する際の冷却材の動きをコンピュータを用いてシミュレーション解析したところ、軸方向に往復動作するバルブの大径中空部内の冷却材に、バルブの中心軸線の周りに縦方向内回りの循環流（対流）が形成されることが確認された。【００２１】
そこで、前記した構造の中空バルブを試作し、バルブＡ，Ｂ，Ｃに対し行なった試験と同様の方法で、自動車用エンジンを高負荷運転（スロットル全開運転）した後の中空バルブの表面温度を測定したところ、中空バルブＣよりも熱引き効果に優れていることが確認された。【００２２】
このように、傘部内に設けた円盤状の大径中空部と軸部内に設けた直線状の小径中空部を略直交するように連通させて、大径中空部における小径中空部の開口周縁部をバルブの中心軸線に対し略直交する平面で構成した構造にすると、大径中空部内の冷却材に循環流（対流）が形成されて、連通部が滑らかに連続する形状である従来の中空バルブＣに比べて、明らかに熱伝達効率が上がる（熱引き効果が上がる）という結果が得られたことを受けて、今回の出願に至ったものである。【００２３】
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、熱引き効果を格段に改善できる中空ポペットバルブを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
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、軸端部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、
前記傘部内には、該傘部の外形に倣うテーパ形状の外周面を備えた円錐台形状の大径中空部を設け、前記軸部内には、前記円錐台形状の大径中空部の天井面に直交するように連通する直線状の小径中空部を設け、前記大径中空部の天井面を形成する、前記小径中空部の前記大径中空部への開口周縁部を、前記バルブの中心軸線に対し直交する平面で構成して、即ち、連通部に庇状の環状段差部を形成して、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。【００２５】
（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Ｃのようにスムーズに小径中空部に移動できない。【００２６】
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が形成される。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が形成される。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。【００２７】
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形成される。【００２８】
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が形成され、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が形成される。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。【００２９】
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。【００３０】
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や乱流が形成されて、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。【００３２】
（作用）大径中空部が傘部の外形に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ているので、第１には、大径中空部の容積が拡大される分、大径中空部に多量の冷却材を装填できる。【００３３】
第２には、小径中空部との連通部が設けられている大径中空部の天井面（円錐台の上面）と大径中空部の外周面（円錐台の外周面）が鈍角をなすので、バルブが開閉動作する際に、大径中空部の半径方向外方から大径中空部の天井面に沿って連通部に向かう冷却材の流れ（図３（ａ）のＦ１，Ｆ２および図３（ｂ）のＦ８）がスムーズとなる分、大径中空部内の冷却材に形成される縦方向内回りの循環流（対流）が活発になる。【００３４】
また、この種の中空バルブは、例えば、傘部外殻の内側に大径中空部に相当する凹部を金型により鍛造（成形）する鍛造工程、凹部の底面に小径中空部に相当する穴を穿設する穴穿設工程、傘部外殻の凹部（中空部）に冷却材を装填し、不活性ガス雰囲気下で、傘部外殻の凹部（開口部）にキャップを溶接する中空部密閉（冷却材封止）工程を経て製造されるが、大径中空部が円錐台形状で、大径中空部の天井面が平面で構成されているので、以下の作用が奏される。【００３５】
第１には、鍛造工程で用いる金型先端部の押圧成形面が平面となり、金型先端部の押圧成形面を所定の曲面やテーパ面に加工する場合と比べて、金型の加工が容易である。【００３６】
第２には、穴穿設工程では、ドリル穴あけ加工をする部位に平面を確保する必要があるが、傘部外殻内側の凹部の底面が平面であるので、平面加工を省くことができる。【００３７】
第３には、穴穿設工程では、ドリルを回転軸に一致する方向に真っ直ぐ前進させて穴を穿設するが、ドリルの刃先が当たる被加工面が平面でしかも回転軸に対し直交するので、穴を正確に穿設できる。【００３８】
請求項３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、前記大径中空部を、前記小径中空部の開口周縁部が前記円錐台の上面に対し前記バルブの軸部側に所定距離オフセットする略円錐台形状に構成した。【００３９】
（作用）請求項１では、大径中空部が円錐台形状で、大径中空部の天井面が平面で構成されているので、鍛造工程で用いる金型先端部の押圧成形面が平面となり、金型先端部の押圧成形面を所定の曲面やテーパ面に加工する場合に比べて、確かに金型の加工は容易である。【００４０】
しかし、鍛造工程だけで、大径中空部の天井面（円錐台の上面）を高精度の平面に成形することは難しく、鍛造工程で用いる金型先端部の押圧成形面の摩滅も激しい。【００４１】
然るに、請求項３では、大径中空部の天井面を、円錐台の上面に対しバルブの軸部側に所定距離（たとえば、鍛造工程で成形された傘部外殻内側の略円錐台形状凹部の球面状底面を、バルブの中心軸線に対し直交する平面に切削加工するために必要な距離）だけオフセットした位置に設けるように構成したので、たとえば、鍛造工程で用いる金型先端部（の押圧成形面）に丸みを付けることで、金型が摩滅しにくいし、鍛造後に大径中空部の天井面を切削加工で成形するため、鍛造工程で用いる金型先端部（の押圧成形面）の加工精度に対する要求も緩和されて、金型の加工がより容易となるし、大径中空部の天井面（平面）の加工精度も上がる。
【発明の効果】
【００４２】
本願発明に係る中空ポペットバルブによれば、バルブの開閉動作の際に、大径中空部から小径中空部にかけての広範囲の領域を冷却材が循環することで、バルブの熱引き効果（熱伝導性）が著しく改善されて、それだけエンジンの性能が向上する。【００４３】
特に、大径中空部内に多量の冷却材を装填できるとともに、バルブが開閉動作する際に、大径中空部内の冷却材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、バルブの熱引き効果（熱伝導性）がいっそう改善されて、エンジンの性能がさらに向上する。【００４４】
また、小径中空部が連通する大径中空部の天井面が平面であるので、傘部外殻の内側に大径中空部の天井面を鍛造（成形）する金型先端部（の押圧成形面）の加工が容易で、しかも天井面中央に開口する小径中空部を軸部に穿設する穴穿設工程も容易になるので、それだけ、バルブ１本当たりの製造コストを低減できる。【００４５】
請求項３に係る中空ポペットバルブによれば、大径中空部を加工する際に一定の加工精度が保証されるので、製造される各バルブにおける熱引き効果（熱伝導性）の均一化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】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。
【図２】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。
【図３】は、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。
【図４】同中空ポペットバルブの表面温度の軸方向における温度分布を示す図である。
【図５】同中空ポペットバルブの傘表（傘部底面）の表面温度の直径方向における温度分布を示す図である。
【図６】中空ポペットバルブの製造工程を示す図で、（ａ）は据え込み鍛造（または押し出し鍛造）により軸端部に傘部外殻を成形する鍛造工程を示す図、（ｂ）は傘部外殻の凹部底面（大径中空部の天井面）から軸部にかけて小径中空部に相当する穴を穿設する穴穿設工程を示す図、（ｃ）は傘部外殻の凹部（中空部）から冷却材を装填する冷却材装填工程を示す図、（ｄ）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キャップ溶接工程（中空部密閉工程）を示す図である。
【図７】本発明の第２の実施例である中空ポペットバルブの要部縦断面図である。
【図８】中空ポペットバルブの製造工程の要部を示す図で、（ａ）は軸端部に傘部外殻を成形する鍛造工程を示す図、（ｂ）は傘部外殻の凹部底面を切削する切削工程および軸部に小径中空部に相当する穴を穿設する穴穿設工程を示す図である。
【図９】従来の中実ポペットバルブおよび中空ポペットバルブの縦断面を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００４７】
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて説明する。
【００４８】
図１〜図５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。
【００４９】
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。
【００５０】
詳しくは、軸部１２の一端部に傘部外殻１４ａが一体的に形成された軸一体型シェル（以下、単にシェルという）１１（図６参照）と、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は、例えば、中空部Ｓの容積のほぼ半分（約１／２〜約３／５）の量が封入されている。
【００５１】
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の内周面には、バルブ１０の軸部１２が摺接するバルブガイド３ａが配設されている。符号９は、バルブ１０を閉弁方向に付勢するバルブスプリングである。
【００５２】
また、中空部Ｓは、傘部１４内に設けられた円錐台形状の大径中空部Ｓ１と、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（図６参照）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。
【００５３】
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Ｓ１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Ｓ１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。
【００５４】
このため、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には、図３（ａ），（ｂ）の矢印で示すように、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内の冷却材１９にも、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に形成される対流（循環流）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。
【００５５】
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。
【００５６】
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従来の中空バルブＣのようにスムーズに小径中空部Ｓ２側に移動できない。
【００５７】
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が形成される。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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が形成され、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が形成される。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。
【００６１】
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。
【００６２】
特に、本実施例では、大径中空部Ｓ１が円錐台形状に形成され、詳しくは、大径中空部Ｓ１の外周面である、傘部外殻１４ａの凹部１４ｂにおける内周面１４ｂ２が、傘部１４（傘部外殻１４ａ）のフェース部１６からフィレット領域１３に延びる部分１４ｄ（図１参照）の外形に略倣うテーパ形状に形成されているので、第１には、大径中空部Ｓ１の容積を大きくできる分、大径中空部Ｓ１に多量の冷却材１９を装填できる。
【００６３】
第２には、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）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。
【００６４】
このように、バルブ１０が開閉動作することで、バルブ１０の中空部Ｓ内全体の冷却材１９に、図３（ａ），（ｂ）に示すような循環流や乱流が形成されて、冷却材１９の上層部、中層部、下層部が積極的に攪拌されるため、バルブ１０の熱引き効果（熱伝導性）が格段に向上することになる。
【００６５】
図４は、中空ポペットバルブ１０の表面温度の軸方向の温度分布特性を、図５は、中空ポペットバルブ１０の傘表（傘部底面）の表面温度の直径方向の温度分布特性を、それぞれ従来公知の中実バルブＡ，軸部に形成した中空部に冷却材を装填した中空バルブＢ、軸部から傘部にかけて形成した中空部に冷却材を装填した中空バルブＣの温度分布特性と比較して示す図で、図４，５において、バルブの形状（外形）を一点鎖線で示している。
【００６６】
図４において、バルブ１０の温度分布特性Ｘは、従来のバルブＡ，Ｂ，Ｃと同様、燃焼室に近い傘部１４のフェース部１６位置から徐々に温度Ｔが上がり、最高温度（Ｔｍａｘ）から温度Ｔが徐々に下がる特性を示すが、最高温度（Ｔｍａｘ）位置は、従来のバルブＡ，Ｂ，Ｃの中で最も放熱性（熱引き効果）に優れているバルブＣの最高温度（Ｔｍａｘ）位置よりも、バルブ傘部寄りとなるとともに、バルブ１０の軸方向における表面温度全体がバルブＣと比べて低く、傘部１４のフェース部１６における表面温度も、バルブＣと比べてかなり低い。このように、バルブ１０では、従来の中空バルブＣよりも、熱引き効果（放熱性）に優れていることがわかる。
【００６７】
特に、最高温度（Ｔｍａｘ）位置からバルブ軸端にかけて低下する表面温度については、バルブＣでは、上方に凸の特性を示した後に、ほぼ直線的に低下するのに対し、バルブ１０では、最高温度（Ｔｍａｘ）位置からバルブ軸端にかけてほぼ直線的に低下している。
【００６８】
即ち、従来のバルブＡ、Ｂ、Ｃでは、いずれも略二次曲線で温度が推移するのに対し、バルブ１０では、最高温度（Ｔｍａｘ）の位置からほぼ直線的に温度が低下する点に特徴がある。これは、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で、中空部Ｓ内の冷却材１９が、大径中空部Ｓ１において燃焼室４から受けた熱を小径中空部Ｓ２を介してバルブ軸端側に確実に熱移動させていることを示している。
【００６９】
また、バルブ１０がバルブシート８に着座する際の最大衝撃応力は、Ｒ形状フィレット部１３の軸端側付近（符号Ｘ２で示す位置）に作用することが実機およびシミュレーション解析で確認されているが、バルブ１０では、バルブＡ、Ｂ、Ｃと比べて、最高温度（Ｔｍａｘ）が最も低く、かつ最高温度（Ｔｍａｘ）位置と最大衝撃応力作用位置Ｘ２間の距離ΔＸが最も長いことから、熱による疲労強度の低下を抑制する上で有効である。
【００７０】
また、バルブ傘表（傘部底面）の表面温度を示す図５からは、従来のバルブＡ，Ｂ，Ｃの中で最も放熱性に優れているバルブＣと比べて、バルブ１０では、バルブ傘表（傘部底面）全体の表面温度が著しく低いことから、バルブ傘表（傘部底面）における熱引き効果（熱伝導性）にも優れている。
【００７１】
また、燃焼圧がバルブ傘表（傘部底面）に作用する際や、バルブ１０がバルブシート８に着座する際には、これら（燃焼圧や着座動作）に起因した最大応力がバルブ傘表（傘部底面）の中心部に作用することが実機およびシミュレーション解析で確認されているが、バルブ１０では、バルブＡ，Ｂ，Ｃと比べて、バルブ傘表（傘部底面）の中心部と周縁部間の温度差ΔＴが小さいことから、傘表中心部で生じる応力に対して、熱による疲労強度の低下を抑制する上で有効である。
【００７２】
次に、中空ポペットバルブ１０の製造工程を、図６に基づいて説明する。
【００７３】
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と軸部１２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。
【００７４】
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、耐熱合金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合金製金属棒材の端部に棒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１２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。
【００７５】
次に、必要に応じて、シェル１１に熱処理（時効処理や溶体化処理等の耐熱強度や機械的強度を上げるための熱処理）を施して、傘部外殻１４ａおよび軸部１２における耐熱強度および機械的強度を高めた後、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Ｓ２に相当する穴１４ｅをドリル加工により穿設する（穴穿設工程）。
【００７６】
穴穿設工程により、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Ｓ２を構成する軸部１２側の穴１４ｅが連通することで、凹部１４ｂと穴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。
【００７７】
次に、図６（ｃ）に示すように、シェル１１の傘部外殻１４ａの凹部１４ｂの穴１４ｅに冷却材（固体）１９を所定量挿入する（冷却材装填工程）。
【００７８】
最後に、図６（ｄ）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。
【００７９】
このように、本実施例のバルブ１０では、小径中空部Ｓ２が連通する大径中空部Ｓ１の天井面１４ｂ１（庇状の段差部１５）がバルブ１０の中心軸線Ｌに対し略直交する平面で構成されているので、以下のような作用効果が奏される。
【００８０】
第１には、図６（ａ）に示す熱間鍛造工程で用いる金型の押圧成形面、即ち、傘部外殻１４ａの内側に形成される凹部１４ｂは円錐台形状で、この凹部１４ｂを鍛造（成形）する金型の押圧成形面の先端部が平面となるので、金型の押圧成形面の先端部を所定の曲面やテーパ面に加工する場合と比べて、加工が容易である。
【００８１】
第２には、図６（ｂ）に示す穴穿設工程では、ドリル穴あけ加工をする部位に平面を確保する必要があるが、傘部外殻１４ａの凹部１４ｂの底面１４ｂ１が平面であるので、平面加工を省くことができる。
【００８２】
第３には、図６（ｂ）に示す穴穿設工程では、ドリルを回転軸に一致する方向に真っ直ぐ前進させて穴を穿設するが、ドリルの刃先が当たる被加工面（傘部外殻１４ａの凹部１４ｂの底面１４ｂ１）が平面でしかもドリルの回転軸に対し直交するので、所定の方向に正確に穴１４ｅを穿設できる。
【００８３】
図７，８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。
【００８４】
前記した第１の実施例の中空ポペットバルブ１０の大径中空部Ｓ１が円錐台形状に構成されているのに対し、この第２の実施例の中空ポペットバルブ１０Ａの大径中空部Ｓ１’は、略円錐台形状に構成されている。
【００８５】
詳しくは、中空ポペットバルブ１０では、庇状の環状段差部１５を構成する、円錐台形状の大径中空部Ｓ１の円形の天井面（傘部外殻１４ａの円錐台形状の凹部１４ｂの底面）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のに対し、中空ポペットバルブ１０Ａでは、図７に示すように、バルブ１０Ａの中心軸線Ｌに対し直交する平面で構成された大径中空部Ｓ１’の円形の天井面１４ｂ３（庇状の環状段差部１５）が、第１の実施例の円錐台形状の大径中空部Ｓ１の円形の天井面１４ｂ１から軸部１２側に所定量Ｈだけオフセットした位置に形成されている。
【００８６】
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。
【００８７】
なお、大径中空部Ｓ１’の円形の天井面１４ｂ３のオフセット量Ｈは、例えば、後述するように、鍛造工程で成形された傘部外殻１４ａ’における凹部１４ｂ’の底面１４ｂ１’をバルブ１０Ａの中心軸線Ｌに対し直交する平面に切削加工するために必要な所定距離である。
【００８８】
換言すれば、傘部１４内に設けられた大径中空部Ｓ１’は、円錐台形状の大径中空部Ｓ１に高さＨの円盤形状中空部が連成された略円錐台形状に構成されている。このため、バルブ１０Ａの中空部Ｓ’の容積は、バルブ１０の中空部Ｓの容積よりも高さＨの円盤形状中空部相当だけ拡大されており、それだけ中空部Ｓ’に装填できる冷却材１９の量が多い。
【００８９】
また、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が開閉動作する際に、バルブ１０Ａの中空部Ｓ’内全体の冷却材１９には、図３（ａ），（ｂ）に示す循環流や乱流が形成されて、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で、熱引き効果（熱伝達性）が著しく改善されたものとなる。
【００９０】
また、中空ポペットバルブ１０Ａの製造工程は、第１の実施例の中空ポペットバルブ１０の製造工程とほぼ同じであるが、略円錐台形状の凹部１４ｂ’を設けた傘部外殻１４ａ’と軸部１２とを一体的に形成したシェル１１を成形する熱間鍛造工程後に、大径中空部Ｓ１’の円形の天井面１４ｂ３を切削により成形する切削工程が必要となる。
【００９１】
即ち、まず、図８（ａ）に示す鍛造工程によって、略円錐台形状の凹部１４ｂ’を設けた傘部外殻１４ａ’と軸部１２を一体的に形成したシェル１１を成形する。凹部１４ｂ’鍛造用の金型には、円錐台の上端面が球状に膨出する略円錐台形状の押圧成形部が設けられて、傘部外殻１４ａ’の略円錐台形状凹部１４ｂ’の底面１４ｂ１’には、押圧成形部の球状膨出部に対応する凹球面が成形される。
【００９２】
その後、必要に応じて、シェル１１に熱処理を施して、傘部外殻１４ａ’および軸部１２における耐熱強度および機械的強度を高めた後、図８（ｂ）に示す切削工程により、傘部外殻１４ａ’の略円錐台形状凹部１４ｂ’の底面１４ｂ１’を所定量Ｈだけ切削して、大径中空部Ｓ１’の円形天井面１４ｂ３を形成するための切削工程（図示せず）を行う。切削は、例えば、エンドミルを用いて行なうことで、大径中空部Ｓ１’の円形天井面１４ｂ３は、バルブ１０Ａの中心軸線Ｌに対し正確に直交する平面となる。
【００９３】
引き続き、図８（ｂ）に示す穴穿設工程により小径中空部Ｓ２に相当する穴を軸部１２に穿設した後、図６（ｃ），（ｄ）に示すような冷却材装填工程、キャップ溶接工程（中空部密閉工程）を順次行なうことで、バルブ１０Ａが製造される。
【００９４】
このように、第２の実施例の中空ポペットバルブ１０Ａでは、バルブ１０Ａの中心軸線Ｌに対し直交する平面で構成された、大径中空部Ｓ１’の円形の天井面１４ｂ３（庇状の環状段差部１５）を、第１の実施例の円錐台形状の大径中空部Ｓ１の円形の天井面１４ｂ１から軸部１２側に所定量Ｈだけオフセットした位置に設けるように構成したので、以下の効果が奏される。
【００９５】
たとえば、図８（ａ）に示す鍛造工程で用いる金型を、先端が球状に膨出する略円錐台形状に構成することで、金型の押圧成形部が摩滅しにくい。また、鍛造工程後に、大径中空部Ｓ’の円形の天井面１４ｄ３を切削加工で形成するため、鍛造工程で用いる金型の押圧成形部の加工精度に対する要求も緩和されて、金型の加工がより容易となるとともに、大径中空部Ｓ’の円形の天井面１４ｄ３の加工精度も上がる。
【００９６】
この結果、大径中空部Ｓ’を加工する際に一定の加工精度が保証されて、製造する各バルブ１０Ａの優れた熱引き効果（熱伝導性）を均一化することができる。
【符号の説明】
【００９７】
１０，１０Ａ  中空ポペットバルブ
１１  傘部外殻と軸部を一体的に形成したシェル
１２  軸部
１４  傘部
１４ａ，１４ａ’  傘部外殻
１４ｂ，１４ｂ’  傘部外殻前面側の凹部
１４ｂ１，１４ｂ３  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
Ｌ  バルブの中心軸線
Ｓ，Ｓ’  中空部
Ｓ１，Ｓ１’  円盤状大径中空部
Ｓ２  直線状の小径中空部
Ｐ  連通部
１８  キャップ
１９  冷却材
【要約】
熱引き効果を改善できる中空ポペットバルブを提供する。軸端部に傘部（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）に不活性ガスとともに冷却材（１９）が装填された中空ポペットバルブ（１０）で、傘部（１４）内に設けた略円盤状の大径中空部（Ｓ１）と軸部（１２）内に設けた直線状の小径中空部（Ｓ２）が略直交するように連通して、軸方向に往復動作するバルブ（１０）の少なくとも大径中空部（Ｓ１）内の冷却材（１９）に、バルブの中心軸線（Ｌ）の周りに縦方向内回りの循環流（対流）が形成されて、熱引き効果が高められる。【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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