(57)【要約】  熱引き効果に優れ、製造設備を簡略化できる中空ポペットバルブを提供する。軸部(12)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、従来の金属Naに代えてZn-Al合金を冷却材(19)として装填した。Zn-Al合金と金属Naは、略同じ熱伝導率で、従来と同じ熱引き効果が得られる。冷却材(19)は酸化し難いので、大気下で冷却材(19)を保管し装填でき、冷却材(19)の保管設備、装填設備が簡潔になる分、中空バルブの製造が容易で、コストも低減できる。
2014054613.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、前記中空部に冷却材である亜鉛−アルミ合金が装填されたことを特徴とする中空ポペットバルブ。
【請求項２】
前記中空部には、大気(空気)とともに亜鉛−アルミ合金が装填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。
【請求項３】
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亜鉛−アルミ合金（液体）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。
【請求項４】
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亜鉛−アルミ合金が装填されたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか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。【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、バルブの熱伝導率（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１０Ａ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】
この種の中空バルブの中空部に装填する冷却材としては、金属ナトリウムの他にナトリウムカリウム合金が知られているが、ナトリウムカリウム合金は、毒劇物取締法により劇物に指定され、空気や水との接触によって炎上・爆発にいたるため、採用にはいたらず、従来は金属ナトリウムが冷却材として採用されている。【０００７】
しかし、金属ナトリウムは、非常に酸化し易く、酸化すると熱伝導率が著しく低下する。このため、空気に触れないように、例えば石油に浸けた状態で保管したり、バルブに装填するには、不活性ガス雰囲気下において不活性ガスとともに装填する等、金属ナトリウムの管理および装填工程が非常に面倒である。さらに、金属ナトリウムは、第３類危険物に指定されており、取り扱う上で、消防法などの種々の制約も受ける。【０００８】
このような経緯から、自動車用エンジンバルブ業界では、中空バルブに採用する冷却材として、金属ナトリウムに代わる新たな物質が希求されていた。【０００９】
発明者は、この種の中空バルブに装填する冷却材として、熱伝導率に優れ、取り扱いが容易な金属がないかを検討した結果、制振ダンパ用の超塑性金属として開発された亜鉛−アルミ合金(Zn-22wt%Al)に着目した。【００１０】
即ち、バルブの素材であるＦｅ、冷却材である金属ナトリウム、超塑性金属である亜鉛−アルミ合金(Zn-22wt%Al)等の物理的性質は、図８の通りである。【００１１】
超塑性金属として知られている亜鉛−アルミ合金(Zn-22wt%Al)は、金属ナトリウムの熱伝導率とほぼ同じ熱伝導率で、酸化し難く、取り扱いが容易である。【００１２】
亜鉛−アルミ合金(Zn-22wt%Al)の融点は約500℃で、金属ナトリウムの融点よりもかなり高く、固体のままでは熱引き効果を十分に発揮できないが、自動車の通常走行時（エンジン駆動時）の燃焼室や吸、排気通路の温度は、融点（500℃）をはるかに越える５００〜８００℃になるため、亜鉛−アルミ合金(Zn-22wt%Al)は熱引き効果を十分に発揮できる液体となる。【００１３】
また、亜鉛−アルミ合金(Zn-22wt%Al)は、亜鉛78wt%に対しアルミニウム22wt%を含む合金で、その比重は、バルブの素材の比重よりも小さいが、金属ナトリウムの比重よりもかなり大きいため、バルブ軽量化のメリットは低い。しかし、図９に示す、亜鉛−アルミ合金の平衡状態図から分かるように、亜鉛とアルミニウムの成分比（重量比）を調整することで、亜鉛−アルミ合金の密度(比重)を調整できるし、融点や熱伝導率についても同様に調整できる。【００１４】
特に、亜鉛−アルミ合金は、酸化しにくいため、大気下で保管できるし、金属ナトリウムのように不活性ガスとともに装填する必要もない。さらに、亜鉛−アルミ合金は、金属ナトリウムのように危険物に指定されていないため、取り扱いが容易で、金属ナトリウムを取り扱う場合のような制約もない。【００１５】
このように、「亜鉛−アルミ合金」について、バルブの中空部に装填する冷却材としての利用可能性を検討した結果、金属ナトリウムに代わる冷却材として「亜鉛−アルミ合金」を採用できると確信し、今回の出願にいたったものである。【００１６】
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、バルブの中空部に装填する冷却材として、従来の金属ナトリウムに代えて、取り扱いが容易な「亜鉛−アルミ合金」を用いることで、熱引き効果に優れるとともに、製造設備を簡略化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】
【００１７】
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、前記中空部に冷却材である亜鉛−アルミ合金を装填するように構成した。【００１８】
また、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、前記中空部には、大気(空気)とともに前記冷却材（亜鉛−アルミ合金）を装填するように構成した。【００１９】
(作用)例えば、亜鉛−アルミ合金(Zn-22wt%Al)の熱伝導率は、135W/m/Kで、金属ナトリウムの熱伝導率132W/m/Kとほぼ同じである。【００２０】
亜鉛−アルミ合金(Zn-22wt%Al)の融点（約500℃）は、金属ナトリウムの融点（97.8℃）に比べて高いため、亜鉛−アルミ合金(Zn-22wt%Al)が固体のままでは熱引き効果を十分に発揮できないが、自動車の通常走行時（エンジン駆動時）の燃焼室や吸、排気通路の温度は融点をはるかに越える５００〜８００℃になるため、バルブの中空部に装填された亜鉛−アルミ合金(Zn-22wt%Al)は液体となって、本発明では、金属ナトリウムを装填した従来の中空バルブと同程度の熱引き効果を十分に発揮できる。【００２１】
なお、Zn-22wt%Alは、融点500℃、熱伝導率135W/m/K、密度5.14g/cm3であるが、バルブの熱引き効果をいっそう改善するには、装填する「亜鉛−アルミ合金」の熱伝導率はより高い方が望ましく、融点もより低い方が望ましく、また、バルブをいっそう軽量化するには、密度(比重)はより小さいが望ましい。【００２２】
図９には、「亜鉛−アルミ合金」の平衡状態図を示すが、「亜鉛−アルミ合金」の融点は、その成分比（重量比）によって変化する。図に示すように、「亜鉛−アルミ合金」の共晶点（共晶温度）は382℃で、例えば、アルミニウムの含有量が100〜5wt%（亜鉛の含有量が0〜95wt%）では、融点は660℃から382℃（共晶温度）まで徐々に変化し、アルミニウムの含有量が少ない（亜鉛の含有量が多い）ほど、融点は低い。【００２３】
また、「亜鉛−アルミ合金」の熱伝導率は、アルミニウムと亜鉛のそれぞれの熱伝導率（図８参照）からして、アルミニウムの含有量が多い（亜鉛の含有量が少ない）ほど、高くなる。一方、「亜鉛−アルミ合金」の密度(比重)は、アルミニウムと亜鉛のそれぞれの密度(比重)（図８参照）からして、アルミニウムの含有量が多い（亜鉛の含有量が少ない）ほど、低くなる。【００２４】
したがって、中空部に装填する冷却材としては、熱引き効果および軽量化というニーズに合致する融点，熱伝導率および密度(比重)となるように、成分比（重量比）を調整した「亜鉛−アルミ合金」で構成することが望ましい。【００２５】
また、「亜鉛−アルミ合金」は、酸化しにくいため、大気下で保管できるし、金属ナトリウムのように不活性ガスとともに中空部に装填する必要もない。即ち、大気下において、請求項２のように、大気(空気)とともに「亜鉛−アルミ合金」をバルブの中空部に装填できる。【００２６】
さらに、「亜鉛−アルミ合金」は、金属ナトリウムのように危険物に指定されていないため、取り扱いが容易で、金属ナトリウムを取り扱う場合のような制約もない。【００２７】
請求項３においては、請求項１または２に記載の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である亜鉛−アルミ合金（液体）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。【００２８】
（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。【００２９】
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。【００３０】
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。【００３１】
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。【００３２】
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。【００３３】
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。【００３４】
請求項４においては、請求項１〜３のいずれかに記載の中空ポペットバルブにおいて、
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である亜鉛−アルミ合金（液体）を装填するように構成した。【００３５】
（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）は、小径中空部内の冷却材（液体）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が形成されて、小径中空部内の冷却材（液体）が攪拌される。【００３６】
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）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が形成されて、小径中空部内の冷却材（液体）が攪拌される。【００３７】
このように、バルブの開閉動作(上下方向の往復動作)に伴って、冷却材（液体）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乱流が発生し、これによって小径中空部内の冷却材（液体）が攪拌されるので、バルブ軸部における熱引き効果（熱伝導性）がさらに高くなる。
【発明の効果】
【００３８】
本発明に係る中空ポペットバルブによれば、中空部内に装填されている冷却材である亜鉛−アルミ合金の熱伝導率が従来冷却材として採用されている金属ナトリウムの熱伝導率とほぼ同じ熱伝導率であるため、従来の中空バルブの熱引き効果と同程度の熱引き効果が発揮される。【００３９】
一方、亜鉛−アルミ合金の比重は、金属ナトリウムの比重よりも大きいため、軽量化という点では従来の中空バルブに劣るが、亜鉛−アルミ合金は、金属ナトリウムのように第３類危険物に指定されておらず、消防法などの種々の制約も受けない等、取り扱いが容易であるため、以下の特有の効果がある。【００４０】
第１には、中空部内に装填する冷却材である亜鉛−アルミ合金は酸化し難いので、金属ナトリウムを保管する場合のように、大気から遮断した状態で冷却材（亜鉛−アルミ合金）を保管する必要はなく、それだけ冷却材（亜鉛−アルミ合金）を保管するための設備が簡潔となる。【００４１】
第２には、不活性ガス雰囲気ではなく大気下において冷却材（亜鉛−アルミ合金）をバルブの中空部に装填できるので、バルブを製造する工程における、冷却材を装填するための設備や環境も簡潔となる。【００４２】
その結果、中空ポポペットバルブの製造コストを大幅に削減できる。【００４３】
請求項２によれば、大気(空気)とともに冷却材（亜鉛−アルミ合金）をバルブの中空部に装填できるので、バルブの中空部に冷却材を装填するための設備および作業が簡略化されて、中空バルブの製造コストをいっそう削減できる。【００４４】
請求項３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である亜鉛−アルミ合金（液体）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。【００４５】
特に、大径中空部内に冷却材である多量の「亜鉛−アルミ合金」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である亜鉛−アルミ合金（液体）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。【００４６】
請求項４によれば、バルブの開閉動作(上下方向の動作)に伴って、小径中空部内の冷却材である亜鉛−アルミ合金（液体）全体も積極的に撹拌されるので、熱引き効果（熱伝導性）にさらにいっそう優れた中空ポペットバルブを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【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】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。
【図５】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。
【図６】本発明の第３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７】本発明の第４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８】Ｆｅ、Ｎａ、亜鉛−アルミ合金(Zn-22wt%Al)等の金属の物理的性質を示す図表である。
【図９】亜鉛−アルミ合金の平衡状態図である。
【発明を実施するための形態】
【００４８】
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて説明する。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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、冷却材１９である亜鉛−アルミ合金(Zn-22wt%Al)が大気（空気）とともに装填されている。
【００５２】
冷却材１９である亜鉛−アルミ合金(Zn-22wt%Al)の特性は、図８，９に示すように、融点約500℃、熱伝導率135W/m/K、密度(比重)5.14g/cm3で、熱伝導率（135W/m/K）は、金属ナトリウムの熱伝導率（132W/m/K）にほぼ等しい。
【００５３】
亜鉛−アルミ合金(Zn-22wt%Al)の融点（約500℃）は、金属ナトリウムの融点（97.8℃）に比べて高いため、固体のままでは熱引き効果を十分に発揮できないが、自動車の通常走行時（エンジン駆動時）の燃焼室や吸、排気通路の温度は融点をはるかに越える５００〜８００℃になるため、中空部Ｓ内の冷却材１９である亜鉛−アルミ合金(Zn-22wt%Al)は液体となって、金属ナトリウムを装填した従来の中空バルブと同程度の熱引き効果を発揮する。
【００５４】
なお、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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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である亜鉛−アルミ合金(Zn-22wt%Al)が装填されている。
【００６０】
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；Ｆ６→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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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３ａ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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【００８０】
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１２ａ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）。
【００８１】
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。
【００８２】
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）。
【００８３】
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）。
【００８４】
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）。
【００８５】
なお、冷却材１９である亜鉛−アルミ合金(Zn-22wt%Al)は、常温下では固体であるので、冷却材(固体)１９を、シェル１１の孔１４ｅに挿入可能な所定の太さおよび長さをもった丸棒材にあらかじめ加工しておくことで、図４（ｅ）に示す冷却材装填工程において、冷却材(固体)１９をシェル１１の孔１４ｅにスムーズに挿入できる。
【００８６】
最後に、図４（ｆ）に示すように、大気雰囲気下で、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。
【００８７】
なお、図４（ｅ）に示す冷却材装填工程と図４（ｆ）に示す中空部密閉工程は、バルブ１０の中空部Ｓに大気(空気)とともに冷却材（固体）１９を装填する工程であるが、冷却材として金属ナトリウムを用いる従来の中空ポペットバルブ製造工程では、冷却材（金属ナトリウム）の酸化を防止するために、冷却材装填工程および中空部密閉工程を行う環境をアルゴンガスなどの不活性ガス雰囲気に保持する必要があって、それだけ設備や機器が複雑で、しかもコストもかかるのに対し、本実施例では、冷却材１９である亜鉛−アルミ合金(Zn-22wt%Al)が酸化しにくいため、図４（ｅ）に示す冷却材装填工程および図４（ｆ）に示す中空部密閉工程を大気雰囲気下において行えばよく、それだけ設備や機器が簡略化され、しかもコストもかからない。
【００８８】
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。
【００８９】
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。
【００９０】
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。
【００９１】
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。
【００９２】
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（液体）１９である亜鉛−アルミ合金(Zn-22wt%Al)が小径中空部Ｓ２内を軸方向に移動する際に段差部１７の近傍に乱流（図示せず）が発生し、この乱流が小径中空部Ｓ２内の冷却材（液体）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。
【００９３】
また、前記した第１，第２の実施例では、バルブ軸端部寄りの小径中空部Ｓ２１の内径を、バルブ傘部１４寄り小径中空部Ｓ２２の内径よりも大きく形成して、小径中空部Ｓ２内の軸方向所定位置に円環状の段差部１７が設けられているが、図６に示す第３の実施例のように、バルブ軸部１２内の小径中空部Ｓ２が軸線方向に一定の内径に形成されるとともに、小径中空部Ｓ２の所定位置まで冷却材１９である亜鉛−アルミ合金(Zn-22wt%Al)が装填されている。
【００９４】
その他は、前記第１の実施例と同一であるので、その重複した説明は省略する。
【００９５】
また、図７に、本発明の第４の実施例を示す。
【００９６】
前記した第１〜第３の実施例では、軸部１２側の小径中空部Ｓ２が傘部１４側の大径中空部Ｓ１，Ｓ’１に連通する構造、即ち、軸部１２側の中空部Ｓ２と傘部１４側の中空部Ｓ１，Ｓ’１の内径が異なる構造であったが、第４の実施例の中空バルブ１０Ｃでは、軸部１２から傘部１４にかけて設けられた中空部Ｓ”が一定の内径に形成されている。
【００９７】
その他は、前記した第１の実施例の中空バルブ１０と同一であり、同一の符号を付すことで、重複する説明は省略する。
【００９８】
また、前記した第１〜第４の実施例では、バルブ１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃの中空部Ｓ，Ｓ’，Ｓ”に装填する冷却材１９が、亜鉛−アルミ合金(Zn-22wt%Al)で構成されていたが、冷却材１９はZn-22wt%Alに限るものではなく、亜鉛とアルミニウムの成分比（重量比）を変えたものでもよい。
【００９９】
即ち、中空部Ｓ，Ｓ’，Ｓ”に装填されているZn-22wt%Alは、融点500℃、熱伝導率135W/m/K、密度5.14g/cm3であるが、バルブの熱引き効果をいっそう改善するには、装填する「亜鉛−アルミ合金」の熱伝導率はより高い方が望ましく、融点もより低い方が望ましく、また、バルブをいっそう軽量化するには、密度(比重)はより小さいが望ましい。
【０１００】
図９は、「亜鉛−アルミ合金」の平衡状態図を示し、図では、右に行くほどアルミニウムの含有量が少なく（亜鉛の含有量が多く）、左に行くほどアルミニウムの含有量が多い（亜鉛の含有量が少ない）。この図に示すように、「亜鉛−アルミ合金」の融点は、その成分比（重量比）によって変化する。
【０１０１】
詳しくは、「亜鉛−アルミ合金」の共晶点（共晶温度）は382℃で、この共晶点に対応する「亜鉛−アルミ合金」の配合比（重量比）は、アルミニウム約5wt%（亜鉛約95wt%）である。そして、アルミニウムの含有量が100〜5wt%（亜鉛の含有量が0〜95wt%）では、アルミニウムの含有量が少ない（亜鉛の含有量が多い）ほど、融点は660℃から382℃まで徐々に低くなる。一方、アルミニウムの含有量が5〜0wt%（亜鉛の含有量が95〜100wt%）では、アルミニウムの含有量が少ない（亜鉛の含有量が多い）ほど、融点は382℃から419℃まで徐々に高くなる。
【０１０２】
また、「亜鉛−アルミ合金」の熱伝導率は、アルミニウムと亜鉛のそれぞれの熱伝導率（図８参照）からして、アルミニウムの含有量が多い（亜鉛の含有量が少ない）ほど、高くなる。一方、「亜鉛−アルミ合金」の密度(比重)は、アルミニウムと亜鉛のそれぞれの密度(比重)（図８参照）からして、アルミニウムの含有量が多い（亜鉛の含有量が少ない）ほど、低くなる。
【０１０３】
したがって、熱引き効果および軽量化というニーズに合致する融点，熱伝導率および密度(比重)となるように成分比（重量比）を調整した「亜鉛−アルミ合金」を、バルブの中空部に装填するようにしてもよい。
【符号の説明】
【０１０４】
１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ  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’，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；Ｆ６→Ｆ８  縦方向内回りの循環流
【図１】
2014054613.tif 000003
【図２】
2014054613.tif 000004
【図３】
2014054613.tif 000005
【図４】
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【図５】
2014054613.tif 000007
【図６】
2014054613.tif 000008
【図７】
2014054613.tif 000009
【図８】
2014054613.tif 000010
【図９】
2014054613.tif 000011
【手続補正書】
【提出日】平成26年5月30日(2014.5.30)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、常温では固体だがエンジン駆動時の燃焼室の熱の影響を受けて液体となる冷却材である亜鉛−アルミ合金が装填されたことを特徴とする中空ポペットバルブ。
【請求項２】
前記中空部には、大気（空気）とともに亜鉛−アルミ合金が装填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。
【請求項３】
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亜鉛−アルミ合金（液体）には、天井面付近では半径方向外側から内側に回流し、底面付近では半径方向内側から外側に回流する縦方向の循環流（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。
【請求項４】
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亜鉛−アルミ合金が装填されたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の中空ポペットバルブ。
【国際調査報告】
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