(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、
前記バルブ傘部内には、円盤形状の大径中空部が設けられ、前記バルブ軸部内に設けられた直線状の小径中空部が前記円盤形状の大径中空部の天井面に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タンブル流が形成される中空ポペットバルブであって、
前記大径中空部は、該大径中空部の天井側全体を画成する凹部が形成された傘部外殻と、前記凹部の開口側に溶接されて該大径中空部の底面を画成するキャップで構成され、
前記凹部の内周面には、周方向等間隔に縦リブが設けられたことを特徴とする中空ポペットバルブ。
【請求項２】
前記傘部外殻の凹部の内周面には、前記縦リブで挟まれた水平断面円弧状の縦溝が周方向に連続して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。
【請求項３】
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た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。
【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係り、特に、バルブ傘部の大径中空部とバルブ軸部の小径中空部が連通する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
【特許文献３】実開平2-12402
【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（特許文献１，２）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】
然るに、従来技術（特許文献１，２）では、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ことから、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。【０００８】
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、という問題があった。【０００９】
これに対し、特許文献３では、バルブ軸部内の小径中空部がバルブ傘部内の円盤形状（円柱形状）の大径中空部の天井面に直交して連通する構造で、バルブが軸方向に往復動作する際の冷却材に作用する慣性力に起因して、大径中空部の外周面に沿って上方に向かう冷却材の流れが発生し、大径中空部内の冷却材に縦方向内回りの旋回流(以下、この縦方向の旋回流をタンブル流という)が形成されて、冷却材が攪拌されるので、バルブの熱引き効果が上がる、と推定される。【００１０】
しかし、特許文献３では、大径中空部の外周面（傘部外殻の凹部の内周面）が円筒形であるため、バルブが軸方向に往復動作する際に発生する、大径中空部の外周面に沿って上方に向かう冷却材の流れは、非常に弱い。【００１１】
即ち、発明者が検討したところ、例えば、自動車の加減速時やコーナリング時には、バルブ中空部内の冷却材に作用する慣性力の作用方向は上下方向とは異なる種々の方向となるので、バルブが軸方向に往復動作する際に、大径中空部内の外周面の全周にわたって上方に向かう冷却材の流れが必ず発生するとは限らない。【００１２】
しかも、軸荷重が伝達されるバルブ軸端部と軸荷重伝達部材（例えば、ロッカアーム式動弁機構では、ロッカアーム、直動式動弁機構では、タペット）との摺接面に発生する回転摩擦トルクの大きさによっては、バルブが周方向に回転しつつ軸方向に上下動する場合もあり、そのような場合は、バルブが軸方向に往復動作する際に、大径中空部の外周面に沿って周方向に向かう流れも発生し、その分、大径中空部の外周面に沿って上方に向かう冷却材の流れが弱くなる。【００１３】
このように、特許文献３では、バルブが軸方向に往復動作する際に、大径中空部内の冷却材に内回りのタンブル流がスムーズに形成されるとは限らず、冷却材が十分に攪拌されず、バルブの熱引き効果を大きく改善することはできない。【００１４】
そこで、発明者は、大径中空部の外周面を画成する傘部外殻の凹部の内周面に周方向等間隔に縦リブを設けて、バルブが軸方向に往復動作する際に、大径中空部外周面に沿った上方に向かう冷却材の流れの発生を助長してやれば、大径中空部内の冷却材において内回りのタンブル流の形成が促進される、と考えた。【００１５】
本発明は、前記した従来技術の問題点および発明者の知見に基づいてなされたもので、その目的は、大径中空部を画成する傘部外殻の凹部の内周面に縦リブを設けて、大径中空部の底面側から外周面に沿って上方に向かう冷却材の流れの発生を助長することで、内回りのタンブル流の形成が促進されて、バルブの熱引き効果（熱伝導性）を大きく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】
【００１６】
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、
前記バルブ傘部内には、円盤形状の大径中空部が設けられ、前記バルブ軸部内に設けられた直線状の小径中空部が前記円盤形状の大径中空部の天井面に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タンブル流が形成される中空ポペットバルブであって、
前記大径中空部を、該大径中空部の天井側全体を画成する凹部を形成した傘部外殻と、前記凹部の開口側に溶接して該大径中空部の底面を画成するキャップで構成し、
前記傘部外殻の内周面には、周方向等間隔に縦リブを設けるように構成した。【００１７】
（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３（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。【００１８】
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４（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４（ａ）に示すような乱流となる。【００１９】
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内回りのタンブル流が形成され、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。【００２０】
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３（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４（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。【００２１】
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内回りの渦流（以下、タンブル流という）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発生する。【００２２】
このように、バルブが開閉動作することで、バルブの大径中空部内の冷却材には、タンブル流や乱流も形成されて、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。【００２３】
前記したように、バルブが軸方向に往復動作する際、中空部内の冷却材は作用する慣性力により中空部内を上下方向に移動し、そのときの大径中空部内の冷却材には、大径中空部の底面側から外周面に沿って上方に向かう流れが発生することで、バルブの中心軸線周りに内回りのタンブル流が形成される。特に、自動車の加減速走行時やコーナリング走行時のように、中空部内の冷却材に上下方向以外の方向に慣性力が作用したり、あるいは、軸荷重が伝達されるバルブ軸端部と軸荷重伝達部材（例えば、ロッカアームやタペット）との摺接面に発生する回転摩擦トルクによって、バルブが周方向に回転しつつ軸方向に上下動する場合においても、バルブの軸方向への往復動作に伴って作用する慣性力で移動しようとする冷却材は、傘部外殻の内周面に設けられている縦リブによって、周方向への移動が抑制されるので、大径中空部の底面側から外周面に沿って上方に向かう冷却材の流れが確実に発生する。【００２４】
さらに、大径中空部の外周全域で発生した上方に向かう流れは、縦リブによって大径中空部の天井面に向けて縦方向に案内されるので、バルブの中心軸線周りの全周において内回りのタンブル流が形成される。【００２５】
また、バルブ傘部内の大径中空部外周面（傘部外殻の凹部の内周面）に設けられた縦リブによって、バルブ傘部の剛性強度が増す分、バルブ傘部（傘部外殻）を薄肉にして大径中空部の容積を増加する（バルブ傘部内の冷却材の装填量が増す）ことで、バルブ傘部における熱伝達効率が上がる。【００２６】
また、バルブ傘部内の大径中空部外周面（傘部外殻の凹部の内周面）に設けられた縦リブによって、傘部外殻の冷却材との接触面積が増える分、バルブ傘部における熱伝達効率が上がる。【００２７】
なお、バルブ傘部内の大径中空部外周面（傘部外殻の凹部の内周面）に設ける縦リブの数に比例して、大径中空部の底面側から外周面（傘部外殻の凹部の内周面）に沿って上方に導かれる冷却材の流れの数が増えるとともに、バルブ傘部の剛性強度も上がり、冷却材との接触面積も増えるので、縦リブの数は多いほど望ましい。【００２８】
一方、縦リブの数が多すぎると、隣接する縦リブ間の間隔が狭く、大径中空部の底面側から外周面（傘部外殻の凹部の内周面）に沿って上方に導かれる冷却材の流路抵抗が増えるとともに、縦リブの加工も面倒になるので、多すぎるのも問題で、周方向等分４箇所〜１６箇所に設けることが望ましい。【００２９】
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、前記凹部の内周面に、前記縦リブで挟まれた水平断面円弧状の縦溝を周方向に連続して設けるように構成した。【００３０】
（作用）水平断面円弧状の縦溝は、水平断面コの字状の縦溝に比べて、溝側面と溝底面のなす角度が大きい分、冷却材の縦方向上方に向かう流れがスムーズとなる。【００３１】
即ち、大径中空部外周面（傘部外殻の凹部の内周面）の全周に設けられている縦溝によって、大径中空部の底面側から外周面（傘部外殻の凹部の内周面）に沿って縦方向上方に向かう冷却材の流れが、大径中空部の全周においてスムーズに形成されるので、タンブル流による大径中空部内の冷却材の攪拌がいっそう促進される。【００３２】
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した。【００３３】
（作用）大径中空部の円形の天井面（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外周面および天井面に沿って連通部に向かう冷却材の流れ（図４（ａ）のＦ１，Ｆ２および図４（ｂ）のＦ８）がスムーズとなる分、大径中空部内の冷却材にタンブル流が形成され易い。
【発明の効果】
【００３４】
本願発明(請求項１)に係る中空ポペットバルブによれば、バルブが軸方向に往復動作する際に、大径中空部の全周において上方に向かう流れが確実に発生し、バルブの中心軸線周り全周に内回りのタンブル流が形成されて、大径中空部内の冷却材の攪拌が促進されるので、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。【００３５】
また、バルブ傘部の剛性強度が増す分、バルブ傘部（傘部外殻）を薄肉にして大径中空部の容積（バルブ傘部内の冷却材の装填量）を増加することで、バルブ傘部における熱伝達効率が上がり、バルブの熱引き効果をいっそう高めることができる。【００３６】
また、傘部外殻の冷却材との接触面積が増える分、バルブ傘部における熱伝達効率が上がり、バルブの熱引き効果をいっそう高めることができる。【００３７】
請求項２に係る中空ポペットバルブによれば、バルブが軸方向に往復動作する際に、大径中空部の全周において上方に向かう流れがスムーズに発生し、内回りのタンブル流による大径中空部内の冷却材の攪拌がいっそう促進されるので、バルブの熱引き効果（熱伝導性）が確実に改善されて、エンジンの性能がいっそう向上する。【００３８】
請求項３に係る中空ポペットバルブによれば、バルブが開閉動作する際に、大径中空部内の冷却材にタンブル流が発生し易いので、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。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【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】（ａ）は傘部外殻の縦断面図、（ｂ）は傘部外殻の底面図である。
【図３】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４】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、（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５】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ードを鍛造する熱間鍛造工程を示し、（ｂ）は傘部寄り小径中空部に相当する孔を穿設する孔穿設工程を示し、（ｃ）は軸端部寄り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冷却材装填工程を示し、（ｆ）は傘部外殻の凹部（大径中空部）の開口内周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６】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７】同バルブの傘部外殻の底面図（図２（ｂ）に対応する図）である。
【図８】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９】同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）は小径中空部に冷却材を充填する工程を示し、（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工程（大径中空部密閉工程）を示す。
【発明を実施するための形態】
【００４０】
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて説明する。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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と、軸部１２ａに軸接された軸端部材１２ｂと、傘部外殻１４ａの円錐台形状の凹部１４ｂにおける開口内周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。
【００４４】
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。
【００４５】
なお、図１における符号２はシリンダヘッド、符号６は燃焼室４から延びる排気通路、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。
【００４６】
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（傘部外殻１４ａの円錐台形状の凹部１４ｂの円形底面）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。
【００４７】
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の円形底面）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。
【００４８】
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、後で詳しく説明するが、図４（ａ），（ｂ）の矢印Ｆ１→Ｆ２→Ｆ３；矢印Ｆ６→Ｆ８に示すように、内回りのタンブル流が形成され、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、乱流が発生して、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。
【００４９】
特に、本実施例では、大径中空部Ｓ１の円形の天井面（凹部１４ｂの円形の底面）１４ｂ１とその傾斜外周面（傾斜内周面）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の傾斜外周面１４ｂ２および天井面１４ｂ１に沿って連通部Ｐに向かう冷却材１９の流れ（図４（ａ）のＦ１，Ｆ２および図４（ｂ）のＦ８）の発生がスムーズとなって、大径中空部Ｓ２内の冷却材１９に形成される内回りのタンブル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。
【００５０】
また、大径中空部Ｓ１の外周面を構成する傘部外殻１４ａの凹部１４ｂの内周面１４ｂ２には、図２に拡大して示すように、周方向等ピッチで水平断面円弧状の縦溝２０が連続して形成されている。そして、周方向に隣接する縦溝２０，２０によって画成された縦リブ２１が、バルブ１０が軸方向に往復動作する際に、大径中空部Ｓ１の外周面に沿った上方に向かう冷却材１９の流れの発生を助長して、大径中空部Ｓ１内の冷却材１９に内回りのタンブル流の形成されることを促進する。
【００５１】
即ち、自動車の加減速走行時やコーナリング走行時のように、種々の方向の慣性力が中空部Ｓ内の冷却材１９に作用したとしても、あるいは、軸荷重が伝達されるバルブ軸端部と軸荷重伝達部材（例えば、ロッカアーム式動弁機構では、ロッカアーム、直動式動弁機構では、タペット）との摺接面に発生する回転摩擦トルクによって、バルブ１０が周方向に回転しつつ軸方向に上下動する場合においても、バルブ１０の軸方向への往復動作に伴って作用する慣性力で移動しようとする冷却材１９は、傘部外殻１４ａの内周面１４ｂ２に設けられている縦リブ２１によって、周方向への移動が抑制されるので、大径中空部Ｓ１の底面側から傾斜外周面１４ｂ２に沿って上方に向かう冷却材１９の流れが確実に発生する。
【００５２】
さらに、大径中空部Ｓ１の外周全域で発生した上方に向かう流れは、水平断面円弧状の縦溝２０によって天井面１４ｂ１に向けて縦方向にスムーズに案内されるので、バルブ１０の中心軸線Ｌ周りの全周において内回りのタンブル流が確実に形成される。この結果、大径中空部Ｓ１内の冷却材１９の下層部，中層部，上層部がより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）がさらに大幅に改善されている。
【００５３】
また、バルブ軸部１２内の小径中空部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。
【００５４】
このため、バルブ１０が開閉動作する際に作用する慣性力によって、冷却材１９が小径中空部Ｓ２を上下に移動する際に、図４（ａ），（ｂ）の矢印Ｆ９，Ｆ１０に示すように、円環状の段差部１７近傍に乱流が形成され、小径中空部Ｓ２内の冷却材１９の攪拌が促進されて、それだけバルブ１０における熱引き効果（熱伝導性）がさらに改善されている。
【００５５】
次に、バルブ１０が開閉動作する際の冷却材の動きを、図３,４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３（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。
【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４（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が発生する。特に、傘部外殻１４ａの凹部１４ｂの内周面１４ｂ２に周方向等間隔に設けられている縦溝２０（縦リブ２１）によって、周方向への冷却材１９の移動が抑制されるので、大径中空部Ｓ１の底面側から外周面に沿って上方に向かう冷却材１９の流れＦ１が確実に発生する。
【００５８】
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。
【００５９】
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縦溝２０（縦リブ２１）に案内されて、大径中空部Ｓ１天井面１４ｂ１に回り込み、再び、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４（ａ）に示すような乱流となる。
【００６０】
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の周りに内回りのタンブル流が形成され、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発生する。
【００６１】
さらには、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、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４（ａ）に示すように、段差部１７の下流側（図４（ａ）の上方）で乱流Ｆ９が発生する。
【００６２】
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４（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４（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の外方から縦溝２０（縦リブ２１）に案内されて天井面１４ｂ１側に回りこみ、大径中空部Ｓ１の天井面１４ｂ１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。
【００６３】
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の周りに内回りのタンブル流が形成され、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発生する。
【００６４】
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４（ｂ）に示すように、段差部１７の下流側（図４（ｂ）の下方）で乱流Ｆ１０が形成される。
【００６５】
このようにして、バルブ１０の開閉動作の際に、中空部Ｓ内の冷却材１９には、矢印Ｆ１→Ｆ２→Ｆ３；Ｆ６→Ｆ８で示すタンブル流や、矢印Ｆ４，Ｆ５，Ｆ７，Ｆ９，Ｆ１０で示す乱流が形成されて、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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
そこで、本実施例では、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Ｓ２全体の容積を増やすことで、バルブ１０の総重量が軽減されている。
【００７０】
また、バルブの軸端部材１２ｂは、シェル１１ほど耐熱性が要求されないため、シェル１１の材料よりも耐熱性の低い廉価材を用いることで、バルブ１０を安価に提供できる。
【００７１】
次に、中空ポペットバルブ１０の製造工程を、図５に基づいて説明する。
【００７２】
まず、図５（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。なお、シェル１１（傘部外殻１４ａ）を成形する際に、傘部外殻１４ａにおける凹部１４ｂの底面１４ｂ１は、軸部１２ａ（シェル１１の中心軸線Ｌ）に対し直交する平面に形成され、傘部外殻１４ａにおける凹部１４ｂの内周面１４ｂ２には、周方向に連続する縦溝２０（縦リブ２１）が形成される。
【００７３】
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。
【００７４】
次に、図５（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にかけて傘部寄り小径中空部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）。
【００７５】
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に相当する軸部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。
【００７６】
次に、図５（ｃ）に示すように、シェル１１の軸端部側から、軸端部寄り小径中空部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）。
【００７７】
次に、図５（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）。
【００７８】
次に、図５（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を所定量充填する（冷却材装填工程）。
【００７９】
最後に、図５（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の開口内周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。
【００８０】
図６、７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。
【００８１】
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が円錐台形状に形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では、バルブ傘部１４内の大径中空部Ｓ１’が先行特許文献３と同様、高さの低い円柱形状に形成されている。
【００８２】
そして、大径中空部Ｓ１’を画成する傘部外殻１４ａ’の凹部１４ｂ’の内周面１４ｂ２’には、水平断面円弧状の縦溝２０’（縦リブ２１’）が周方向等ピッチに連続して形成されている。
【００８３】
そして、傘部外殻１４ａ’の円柱形状凹部１４ｂの開口部１４ｃ’には、キャップ１８が溶接されることで、中空部Ｓ’が密閉され、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。
【００８４】
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。
【００８５】
即ち、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、中空部Ｓ’内の冷却材１９は慣性力により中空部Ｓ’内を上下方向に移動し、そのときの大径中空部Ｓ１’内の冷却材１９には、大径中空部Ｓ１’の底面側から外周面に沿って上方に向かう流れが発生することで、バルブ１０Ａの中心軸線Ｌ’周りに内回りのタンブル流が形成される。
【００８６】
特に、大径中空部Ｓ１’を画成する傘部外殻１４ａ’の凹部１４ｂ’の内周面１４ｂ２’に水平断面円弧状の縦溝２０’（縦リブ２１’）が周方向等ピッチに連続して形成されていることで、バルブ１０Ａが軸方向に往復動作する際に、大径中空部Ｓ１’の外周面（凹部１４ｂ’の内周面１４ｂ２’）に沿った上方に向かう冷却材１９の流れの発生が助長されて、大径中空部Ｓ１’内の冷却材１９において内回りのタンブル流の形成が促進されるので、中空部Ｓ’内全体の冷却材１９による熱伝達が活発となって、バルブ１０Ａの熱引き効果が高められている。
【００８７】
図８、９は、本発明の第３の実施例である中空ポペットバルブを示す。
【００８８】
前記した第１，第２の実施例の中空ポペットバルブ１０，１０Ａでは、バルブ軸部１２内の小径中空部Ｓ２が、バルブ軸端部寄りの内径が大きい小径中空部Ｓ２１と、バルブ傘部１４寄りの内径が小さい小径中空部Ｓ２２で構成されて、小径中空部Ｓ２の長手方向の途中に段差部１７が形成されているのに対し、本実施例の中空ポペットバルブ１０Ｂでは、軸部１２内の小径中空部Ｓ２”が長手方向に一定の内径に形成されている。
【００８９】
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。
【００９０】
即ち、第１，第２の実施例の中空ポペットバルブ１０，１０Ａでは、小径中空部Ｓ２内に設けられた段差部１７によって、小径中空部Ｓ２内の冷却材１９が攪拌されるのに対し、本実施例の中空ポペットバルブ１０Ｂでは、そのような作用（段差部１７による冷却材１９の攪拌作用）がないが、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１０Ｂが軸方向に往復動作する際に、大径中空部Ｓ１の傾斜する外周面（凹部の内周面）１４ｂ２に沿った上方に向かう冷却材１９の流れの発生が助長されて、大径中空部Ｓ１内の冷却材１９において内回りのタンブル流の形成が促進されるので、中空部Ｓ”内全体の冷却材１９による熱伝達が活発となって、バルブ１０Ｂの熱引き効果が高められている。
【００９１】
また、中空ポペットバルブ１０Ｂの製造工程を図９に示すが、バルブ軸部１２内の小径中空部Ｓ２”に段差部を設けないため、小径中空部Ｓ２”に相当する孔を穿設する孔穿設工程が１工程で済み、しかも軸端部材を軸接する軸接工程も不要となるなど、製造工程が簡潔となっている。
【００９２】
まず、図９（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。シェル１１’（傘部外殻１４ａ）の成形と同時に、傘部外殻１４ａにおける凹部１４ｂの内周面１４ｂ１には、周方向に連続する縦溝２０（縦リブ２１）が形成される。
【００９３】
次に、図９（ｂ）に示すように、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”に相当する孔１４ｅ’をドリル加工により穿設する（孔穿設工程）。
【００９４】
次に、図９（ｃ）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）。
【００９５】
最後に、図９（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の開口内周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）。
【符号の説明】
【００９６】
１０，１０Ａ，１０Ｂ  中空ポペットバルブ
１１，１１’  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
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
１４ｂ２，１４ｂ２’  傘部外殻の凹部内周面
１４ｃ，１４ｃ’  傘部外殻の凹部の開口部
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
２０，２０’  縦溝
２１，２１’  縦リブ
Ｌ，Ｌ’  バルブの中心軸線
Ｓ，Ｓ’Ｓ”  中空部
Ｓ１  円錐台形状の大径中空部
Ｓ１’  円柱形状の大径中空部
Ｓ２，Ｓ２’  直線状の小径中空部
Ｐ  連通部
１８  キャップ
１９  冷却材
Ｓ２１  軸端部寄り小径中空部
Ｓ２２  傘部寄り小径中空部
Ｆ１→Ｆ２→Ｆ３；Ｆ６→Ｆ８タンブル流
Ｆ４，Ｆ５，Ｆ７  乱流
Ｆ９，Ｆ１０  乱流
【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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