(57)【要約】【課題】安価にして、排熱性を損なうことなく、溶接部の強度を高めることができる中空バルブを提供する。【解決手段】中空部(30)を有し、一端に該中空部の開口が形成されたステム部材(20)と、一端が弁傘部(22a)をなし、他端にステム部材の開口と同一形状の開口が形成され、該開口から弁傘部に向けて延びる中空部(32)を有し、他端とステム部材の一端とが摩擦圧接により接合されてなる傘部材(22)と、傘部材の中空部に封入された液体または熱で融解する固体からなる第１の熱伝導材(26)と、ステム部材の一端と傘部材の他端とに跨ってステム部材の中空部及び傘部材の中空部に嵌挿された装填部材(24)とを備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
中空部を有し、一端に該中空部の開口が形成されたステム部材と、
一端が弁傘部をなし、他端に前記ステム部材の開口と同一形状の開口が形成され、該開口から前記弁傘部に向けて延びる中空部を有し、他端と前記ステム部材の一端とが摩擦圧接により接合されてなる傘部材と、
前記傘部材の中空部に封入された液体または熱で融解する固体からなる第１の熱伝導材と、
前記ステム部材の一端と前記傘部材の他端とに跨って前記ステム部材の中空部及び前記傘部材の中空部に嵌挿された装填部材と、
を備える中空バルブ。
【請求項２】
前記装填部材は、熱伝導率の高い材料からなる、請求項１に記載の中空バルブ。
【請求項３】
前記装填部材は、管状の部材である、請求項１または２に記載の中空バルブ。
【請求項４】
前記装填部材は、棒状の部材である、請求項１または２に記載の中空バルブ。
【請求項５】
前記ステム部材の中空部のうち前記装填部材の端部から該中空部の底部までの部分に前記第１の熱伝導材と同じまたは異なる第２の熱伝導材を封入した、請求項４に記載の中空バルブ。
【請求項６】
前記装填部材は、前記ステム部材の中空部の周縁及び前記傘部材の中空部の周縁のいずれか一方に螺合されてなる、請求項１〜５のいずれかに記載の中空バルブ。
【請求項７】
螺合される前記装填部材と前記ステム部材の中空部の周縁との間には熱伝導体が充填されてなる、請求項６に記載の中空バルブ。
【請求項８】
前記装填部材は、前記ステム部材の中空部の周縁及び前記傘部材の中空部の周縁のいずれか一方に圧入されてなる、請求項１〜５のいずれかに記載の中空バルブ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は中空バルブに係り、特に溶接部の強度を高める技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、自動車に搭載されるエンジンには、ガソリンを燃焼する燃焼室が設けられており、燃焼室への吸気をするための通路やガソリンを燃焼して生成される排ガスを排出するための通路の入り口を開閉するための弁として、ポペットバルブ（以下、単にバルブという）が広く用いられている。
また、昨今の低燃費自動車の開発においては、エンジンの小型化に伴う出力の低下を補うために過給機を搭載する所謂ターボエンジンを採用する傾向にある。
【０００３】
しかしながら、ターボエンジンは、燃料の燃焼温度が高いため排ガスの温度が非常に高温となるので、ターボエンジンを採用するためには、バルブの排熱性を高める必要がある。
この場合、排熱性の高いニッケルを多く含有させたバルブを採用することが考えられる。
【０００４】
また、バルブの中心軸を中空にして該中空部分にナトリウムを封入することで、バルブの排熱性を高め、特に高温下に晒されるバルブの傘部の熱をステムへ逃がす技術が開発されている（特許文献１）。
【特許文献１】特開昭６０−２４７４３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、ニッケルは非常に高価な金属であり、上記のようにニッケルを多く含有させることは、バルブの価格を高くすることになるため、好ましいことではない。
また、上記特許文献１に開示される技術では、バルブの中空部分を製造及びナトリウムの封入のためにバルブの少なくとも一部に開口を設ける必要があり、一般的にはバルブのステム部分で分割して製造し、ナトリウムを投入後に摩擦圧接によって該分割した部分を溶接し、その後表面に生成されるバリを除去している。しかしながら、摩擦圧接によって溶接することで発生するバリはステムの中空側にも生成され、除去されることなく残存することとなる。このようにバリが残存すると、該バリが有する鋭角な溝周りに応力集中が起き、該応力集中によってステムが破断するという問題がある。
【０００６】
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、安価にして、排熱性を損なうことなく、溶接部の強度を高めることができる中空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】
【０００７】
上記の目的を達成するため、本発明の中空バルブは、中空部を有し、一端に該中空部の開口が形成されたステム部材と、一端が弁傘部をなし、他端に前記ステム部材の開口と同一形状の開口が形成され、該開口から前記弁傘部に向けて延びる中空部を有し、他端と前記ステム部材の一端とが摩擦圧接により接合されてなる傘部材と、前記傘部材の中空部に封入された液体または熱で融解する固体からなる第１の熱伝導材と、前記ステム部材の一端と前記傘部材の他端とに跨って前記ステム部材の中空部及び前記傘部材の中空部に嵌挿された装填部材とを備えることを特徴とする。
【０００８】
これにより、中空バルブにおいて、ステム部材と傘部材とにそれぞれ設けられた中空部にステム部材の一端と傘部材の他端とに跨って装填部材が挿入されているので、ステム部材と傘部材とを摩擦圧接によって溶接するときに中空部側に発生するバリを装填部材によって抑制することが可能とされる。
その他の態様として、前記装填部材は、熱伝導率の高い材料からなるのが好ましい。
【０００９】
これにより、装填部材に例えば銅のような熱伝導率の高い材料を用いることで、装填部材によるバルブの排熱性の低下を抑制することが可能とされる。
その他の態様として、装填部材は、管状の部材であるのが好ましい。
これにより、装填部材を管状にすることで、中空バルブに封入される第１の熱伝導材は、ステム部材と傘部材とを行き来することが可能とされる。
【００１０】
その他の態様として、装填部材は、棒状の部材であるのが好ましい。
これにより、装填部材を棒状にすることで、ステム部材と傘部材との溶接部の強度を高めることが可能とされる。
その他の態様として、前記ステム部材の中空部のうち前記装填部材の端部から該中空部の底部までの部分に前記第１の熱伝導材と同じまたは異なる第２の熱伝導材を封入するのが好ましい。
【００１１】
これにより、中実である棒状の装填部材が挿入されることでステム部材の中空部のうち装填部材の端部からステム部材の中空部の底部までの残存する部分に第１の熱伝導材と同じまたは異なる第２の熱伝導材を封入することで、中空部の残存する部分の熱伝導率を高め、より排熱性を高めることが可能とされる。
その他の態様として、前記装填部材は、前記ステム部材の中空部の周縁及び前記傘部材の中空部の周縁のいずれか一方に螺合されてなるのが好ましい。
【００１２】
これにより、装填部材をステム部材の端部に螺合により組み付けることで、装填部材をステム部材または傘部材に固定して組み付け、摩擦圧接による溶接のときには、装填部材の位置が中空バルブの軸方向でずれないようにすることが可能とされる。
その他の態様として、螺合される前記装填部材と前記ステム部材の中空部の周縁との間には熱伝導体が充填されてなるのが好ましい。
【００１３】
これにより、螺合される装填部材とステム部材の中空部の周縁との間の微小隙間に熱伝導体として例えば銅ろうを充填することで、装填部材からステム部材への排熱性をより高めることが可能とされる。
その他の態様として、前記装填部材は、前記ステム部材の中空部の周縁及び前記傘部材の中空部の周縁のいずれか一方に圧入されてなるのが好ましい。
【００１４】
これにより、装填部材をステム部材の端部に圧入により組み付けるので、装填部材を容易にステム部材に組み付けることができ、摩擦圧接による溶接のときに、装填部材の位置が中空バルブの軸方向でずれないようにすることが可能とされる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の中空バルブによれば、ステム部材と傘部材とにそれぞれ設けられた中空部にステム部材の一端と傘部材の他端とに跨って管状や棒状の装填部材を挿入するようにしたので、ステム部材と傘部材とを摩擦圧接によって溶接するときに中空部側に発生するバリを装填部材によって抑制することができる。
これにより、安価にして、排熱性を損なうことなく、溶接部の強度を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】エンジンの概略構成図である。
【図２】第１実施形態における排気バルブの構成図である。
【図３】第１実施形態における排気バルブの溶接前の縦断面図である。
【図４】第１実施形態における排気バルブの溶接後の縦断面図である。
【図５】第２実施形態における排気バルブの構成図である。
【図６】第２実施形態における排気バルブの溶接前の縦断面図である。
【図７】第２実施形態における排気バルブの溶接後の縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面に基づき本発明の一実施形態について説明する。
＜第１実施形態＞
図１は、エンジン１の概略構成図である。
エンジン１は、多気筒（例えば、４気筒）の吸気ポート噴射型ガソリンエンジンであり、複数の気筒を有するシリンダブロック５、各気筒内に上下摺動可能なピストン６及びシリンダブロック５の上に取り付けられたシリンダヘッド４により燃焼室４ａが形成されている。
【００１８】
燃焼室４ａには、吸気ポート４ｂと排気ポート４ｃが連通され、シリンダヘッド４には、燃焼室４ａに臨んで混合気に点火を行う点火プラグ１５が設けられている。
各気筒の吸気ポート４ｂには、吸気ポート４ｂと連通するように吸気マニホールド２が接続されており、吸気マニホールド２には気筒毎に燃料噴射弁３が設けられている。
これより、エンジン１は、図示しない燃料タンクより燃料を各気筒の燃料噴射弁３に供給し、当該燃料を燃料噴射弁３から所定の噴射時期及び噴射量で吸気マニホールド２内及び吸気ポート４ｂ内に噴射可能に構成されている。
【００１９】
吸気ポート４ｂには、燃焼室４ａと吸気ポート４ｂの連通と遮断を行う吸気バルブ１０が設けられており、吸気バルブ１０はバルブリフター１２を介して吸気カムシャフト１３により駆動される。また、排気ポート４ｃには、燃焼室４ａと排気ポート４ｃとの連通と遮断を行う排気バルブ（中空バルブ）１１が設けられており、排気バルブ１１はバルブリフター１２を介して排気カムシャフト１４により駆動される。
【００２０】
また、排気ポート４ｃには、排気ポート４ｃと連通するように排気マニホールド９が接続されている。
ピストン６は、コンロッド７を介してクランクシャフト８に連結されている。また、クランクシャフト８の一端部には図示しないフライホイールが設けられている。
その他、エンジン１の基本的な構成及び作動については、公知であり、ここでは説明を省略する。
【００２１】
図２を参照すると、第１実施形態における排気バルブ１１の構成図が示されている。
排気バルブ１１は、ステム部材２０、傘部材２２、管状装填部材（装填部材）２４、熱伝導材（第１の熱伝導材）２６で構成されている。
ステム部材２０は、傘部材２２に臨む端部（一端）の開口部分から傘部材２２と反対方向に延びるステム中空部（中空部）３０を有する円柱状の部材である。
【００２２】
傘部材２２は、ステム部材２０に臨む端部（他端）の開口部分からステム部材２０と反対方向に延びる傘中空部（中空部）３２を有する部材である。また、傘部材２２は、ステム部材２０と反対側の端部（一端）、即ち弁傘部２２ａの表面が外方に向けテーパ形状となっており、傘中空部３２は該テーパ形状に沿うように拡径されて形成されている。ステム中空部３０の開口部と傘中空部３２の開口部は、同一形状をしている。
【００２３】
管状装填部材２４は、管中空部３４を有し両端が開口した管状の部材であり、全体の長さを例えば２ｍｍ以上とする、熱伝導率の高い銅製の部材である。
そして、管状装填部材２４は、一端がステム中空部３０に圧入され、他端が傘中空部３２に遊嵌状態で挿入されている。
熱伝導材２６は、例えば熱伝導率の高いナトリウム（約１３４Ｗ／ｍＫ）であり、エンジン１が作動して燃料が燃焼されることによって生ずる熱によって融解し、ステム中空部３０、傘中空部３２、管中空部３４を往き来することが可能となっている。
【００２４】
そして、ステム中空部３０が開口するステム部材２０の端部（一端）と傘中空部３２の開口する傘部材２２の端部（他端）とが摩擦圧接により溶接されて、ステム部材２０と傘部材２２とから排気バルブ１１が構成されている。
図３を参照すると、第１実施形態における排気バルブ１１の摩擦圧接による溶接前の縦断面図が示されている。溶接前には、排気バルブ１１は、熱伝導材２６を傘中空部３２に投入し、管状装填部材２４の一端をステム中空部３０の周縁に圧入し、単に他端を傘中空部３２に遊嵌状態で挿入した状態である。この状態で、傘部材２２を固定したままステム部材２０を高速で回転させると、ステム部材２０と傘部材２２とが互いに接する面が摩擦熱によって融解され、ステム部材２０の回転を停止させると同時にステム部材２０を傘部材２２に押圧することで、ステム部材２０と傘部材２２とが摩擦圧接によって溶着される。このとき、ステム部材２０及び傘部材２２は、互いに接する面から例えば５００μｍずつが融解して減少する溶接代３６として見込まれている。
【００２５】
図４を参照すると、第１実施形態における排気バルブ１１の摩擦圧接による溶接後の縦断面図が示されている。同図に示すように、溶接代３６は、摩擦圧接によって潰れてバリ３８となる。詳しくは、ステム部材２０を傘部材２２に押圧するとき、溶接代３６は、管状装填部材２４によってステム中空部３０及び傘中空部３２への突出が抑制され、ステム部材２０及び傘部材２２の外周側へのみ突出してバリ３８となる。当該バリ３８は、摩擦圧接後に切除され、排気バルブ１１が完成する。
【００２６】
以上説明したように、本発明に係る排気バルブ１１では、ステム中空部３０を有するステム部材２０と、ステム中空部３０の開口と同一形状の開口の傘中空部３２を有する傘部材２２と、ステム部材２０と傘部材２２とに跨ってステム中空部３０と傘中空部３２とに嵌挿された管状装填部材２４とを備えている。
従って、ステム中空部３０と傘中空部３２とに管状装填部材２４が嵌挿されているので、ステム部材２０と傘部材２２とを摩擦圧接によって溶接するときにバリが発生するが、管状装填部材２４によってステム中空部３０及び傘中空部３２側に発生するバリを抑制することができる。故に、ステム中空部３０及び傘中空部３２側に発生するバリに起因した応力集中による溶接部の破断を防止することができる。
【００２７】
そして、管状装填部材２４に例えば比較的安価な銅のような熱伝導率の高い部材を用いるようにしたので、管状装填部材２４によるバルブの排熱効果の低下を抑制することができる。
また、管状装填部材２４は、管状の部材なので、排気バルブ１１に封入される熱伝導材２６をステム部材２０と傘部材２２との間で容易に行き来させることができる。
【００２８】
更に、管状装填部材２４は、ステム部材２０の端部に圧入により組み付けられるので、摩擦圧接による溶接のときに管状装填部材２４の位置が排気バルブ１１の軸方向でずれることがなく、確実にステム中空部３０及び傘中空部３２側に発生するバリを管状装填部材２４で抑制することができる。
これにより、排気バルブ１１において、安価にして、排熱性を損なうことなく、溶接部の強度を高めることができる。
【００２９】
＜第２実施形態＞
以下、図５〜７に基づき第２実施形態について説明する。第２実施形態では、管状装填部材２４に代えて棒状装填部材１２４を用いる点が上記第１実施形態と異なっている。なお、上記第１実施形態と共通の構成については説明を省略し、ここでは第１実施形態と異なる部分について説明する。
【００３０】
図５を参照すると、第２実施形態における排気バルブ１１１の構成図が示されている。
棒状装填部材（装填部材）１２４は、円柱状からなる棒状の中実部材であり、全体の長さを例えば２ｍｍ以上とする、熱伝導率の高い銅製の部材である。
そして、ステム中空部１３０の傘部材２２に臨む開口部の周縁には、雌ねじ部１４０が設けられ、棒状装填部材１２４には、ステム部材１２０側の端部に雄ねじ部１４２が設けられており、棒状装填部材１２４の雄ねじ部１４２が雌ねじ部１４０に螺合されている。
【００３１】
ステム中空部１３０のうち、螺合した棒状装填部材１２４とステム中空部１３０の底部との間の残存する部分には、熱伝導材（第２の熱伝導材）１２６が封入されている。このとき、熱伝導材１２６には、銅合金（約９９Ｗ／ｍＫ（七三黄銅の場合））や、ニッケル（約５９Ｗ／ｍＫ（純度９９．２％の場合））のような熱伝導率の高い材質のものを用いることが望ましい。なお、該残存するステム中空部１３０の部分が広く熱伝導材１２６の体積が大きい場合には、熱伝導材２６として用いたナトリウムを投入してもよい。
【００３２】
図６を参照すると、第２実施形態における排気バルブ１１１の摩擦圧接による溶接前の縦断面図が示されている。溶接前には、棒状装填部材１２４がステム部材１２０に螺合され、ステム部材１２０の傘部材２２に臨む端部（一端）と傘部材２２のステム部材２０に臨む端部（他端）との間に銅箔（熱伝導体）１４４が挟設されている。なお、この状態で、螺合部分であるステム中空部１３０の周縁の雌ねじ部１４０と棒状装填部材１２４の雄ねじ部１４２との間には、ねじの公差等による微小隙間がある。
【００３３】
図７を参照すると、第２実施形態における排気バルブ１１１の摩擦圧接による溶接後の縦断面図が示されている。同図に示すように、上記第１実施形態と同様、溶接代３６は、棒状装填部材１２４によってステム中空部１３０及び傘中空部３２への突出が抑制され、ステム部材１２０及び傘部材２２の外周側へのみ突出してバリ３８となる。当該バリ３８は、摩擦圧接後に切除され、排気バルブ１１１が完成する。この状態では、摩擦圧接時に発生する熱によって銅箔１４４が融解し、銅ろうとして雌ねじ部１４０と雄ねじ部１４２との螺合部分の微小隙間に流れ込み、微小空間を埋めている。
【００３４】
以上説明したように、第２実施形態に係る排気バルブ１１１では、ステム中空部１３０と傘中空部３２とに棒状装填部材１２４が嵌挿されているので、第１実施形態と同様、棒状装填部材１２４によってステム中空部１３０及び傘中空部３２側に発生するバリを抑制することができ、ステム中空部１３０及び傘中空部３２側に発生するバリに起因した応力集中による溶接部の破断を防止することができる。
【００３５】
そして、棒状装填部材１２４は、棒状の中実の部材であることにより、溶接部の強度を高めることができる。
また、ステム部材１２０のステム中空部１３０のうち、螺合した棒状装填部材１２４とステム中空部１３０の底部との間の残存する部分には、熱伝導材１２６が封入されているので、残存するステム中空部１３０の部分における熱伝導率をより高めることができる。
【００３６】
また、棒状装填部材１２４は、ステム部材１２０の端部に螺合により組み付けられるようにしたので、棒状装填部材１２４をステム部材１２０に共回り等しないように固定することができ、摩擦圧接による溶接のときには、棒状装填部材１２４の位置が排気バルブ１１１の軸方向でずれないようにできる。
更に、摩擦圧接により生ずる熱によってステム部材１２０と傘部材２２との間に設けた銅箔１４４を溶かし、銅ろうとして雌ねじ部１４０と雄ねじ部１４２との螺合部分の微小隙間に充填しているので、熱伝導材２６から棒状装填部材１２４に伝達される熱をステム部材１２０に良好に逃がすようにでき、排熱効果をより高めることができる。
【００３７】
以上で本発明に係る中空バルブの説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限られるものではなく、発明の主旨を逸脱しない範囲で変更可能である。
例えば、本実施形態では、ガソリンエンジンである多気筒エンジンについて説明したが、本発明に係る中空バルブはディーゼルエンジンや単気筒エンジンに使用するものであってもよい。
【００３８】
また、本実施形態では、排気バルブ１１、１１１について説明したが、吸気バルブ１０に本発明に係る中空バルブを用いてもよい。
また、本実施形態では、傘部材２２の弁傘部２２ａまで傘中空部３２が形成されている傘部材２２を用いて説明したが、必ずしも弁傘部２２ａまで中空でなくてもよく、傘部材２２は少なくともステム部材２０に臨む端部近傍が中空であればよい。
【００３９】
また、本実施形態では、管状装填部材２４や棒状装填部材１２４の長さを例えば２ｍｍ以上としたが、溶接代３６より長ければよい。
また、本実施形態では、熱伝導材２６についてはナトリウムを用いて説明し、熱伝導材１２６については銅合金やニッケル或いはナトリウムを用いて説明したが、熱伝導材２６は液体または熱で融解する固体であればよく、熱伝導材１２６は熱伝導率の高い材質のものであればよく、態様についても例えば粉体であってもよい。
【００４０】
また、本実施形態では、第１実施形態において管状装填部材２４を圧入によりステム部材２０のステム中空部３０に嵌挿させる場合を例示し、第２実施形態において棒状装填部材１２４を螺合によりステム部材１２０のステム中空部１３０に嵌挿させる場合を例示したが、管状装填部材２４を螺合によりステム中空部３０に嵌挿させてもよく、棒状装填部材１２４を圧入によりステム中空部１３０に嵌挿させてもよい。
【００４１】
また、本実施形態では、管状装填部材２４や棒状装填部材１２４をステム部材２０のステム中空部３０やステム部材１２０のステム中空部１３０に圧入や螺合によって嵌挿させる場合を例示したが、管状装填部材２４や棒状装填部材１２４を傘部材２２の傘中空部３２に圧入や螺合によって嵌挿させるようにしてもよい。
【符号の説明】
【００４２】
１１、１１１  排気バルブ（中空バルブ）
２０、１２０  ステム部材
２２  傘部材
２４  管状装填部材（装填部材）
２６  熱伝導材（第１の熱伝導材）
３０、１３０  ステム中空部（中空部）
３２  傘中空部（中空部）
３４  管中空部
１２４  棒状装填部材（装填部材）
１２６  熱伝導材（第２の熱伝導材）
１４０  雌ねじ部
１４２  雄ねじ部
１４４  銅箔（熱伝導体）
【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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