(57)【要約】      （修正有）【課題】往復動エンジンの流体冷却ポペット弁のシステムおよび製造方法を提供する。【解決手段】往復動エンジン１０は、第１の弁端部１４０および第２の弁端部１４２を有するポペット弁４６を含む。ポペット弁は、第１の弁端部を有する弁頭１０８を含む。弁頭は往復動エンジン内の流体通路を開閉することができる。ポペット弁はまた、弁頭から延在し、第１の長さを有する弁棒１１０とを含む。弁棒は第２の弁端部を有し、第２の弁端部は第１の弁端部の実質的に反対側にある。ポペット弁はまた、ポペット弁の中心線軸に合わせられた空洞１２６を含む。空洞は、弁頭内に配置された第１の領域、および弁棒内に配置された第２の領域を含み、第２の領域は第１の長さより短い第２の長さを有する。ポペット弁はさらに、空洞内に配置された金属合金を含む。金属合金は、往復動エンジンの作動中に液相であり、弁頭から弁棒へ熱を伝達することができる。【選択図】図２
2016114052.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
往復動エンジン（１０）のシリンダヘッド（２６）用の弁であって、
第１の弁端部および第２の弁端部と、
前記第１の弁端部を有する弁頭（１０８）と、
前記弁頭（１０８）から延在し、第１の長さを有し、前記第２の弁端部を有する弁棒（１１０）であって、前記第２の弁端部が前記第１の弁端部の実質的に反対側にある、弁棒（１１０）と、
前記弁の中心線（１９０）軸に合わせられ、前記弁頭（１０８）内に配置された第１の領域（１２８）、および前記弁棒（１１０）内に配置された第２の領域（１３０）を含む空洞（１２６）であって、前記第２の領域（１３０）が前記第１の長さより前記中心線（１９０）軸に沿って短い第２の長さを有する、空洞（１２６）と、
前記空洞（１２６）内に配置された金属合金であって、前記弁頭（１０８）から前記弁棒（１１０）へ熱を伝達するように構成される金属合金と
を含む弁。
【請求項２】
前記金属合金が、約９０℃と約２５０℃の間の融点を有する、請求項１記載の弁。
【請求項３】
前記金属合金が、２５℃において２５（Ｗ／（ｍ・℃））より大きい熱伝導度を有する、請求項１記載の弁。
【請求項４】
前記金属合金が無鉛はんだ材料を含む、請求項１記載の弁。
【請求項５】
前記金属合金が鉛−錫はんだ材料を含む、請求項１記載の弁。
【請求項６】
前記弁が排気弁（４６）である、請求項１記載の弁。
【請求項７】
前記第１の領域（１２８）が第１の直径および第２の直径を含み、前記第２の領域（１３０）が第３の直径（１３２）を含み、前記第１の直径が前記第２の直径より大きく、前記第３の直径（１３２）が前記第２の直径と実質的に等しい、請求項１記載の弁。
【請求項８】
前記弁が、前記空洞（１２６）の前記第１の領域（１２８）を覆って配置された封止体（２１２）を含み、前記封止体（２１２）が前記空洞（１２６）を塞ぐように構成されて、前記金属合金が前記空洞（１２６）内に保持される、請求項７記載の弁。
【請求項９】
前記空洞（１２６）が、前記金属合金の上面と前記空洞の末端との間の中空通路を含み、前記中空部分によって、前記金属合金が前記第１の領域（１２８）と前記第２の領域（１３０）との間を流れることができる、請求項１記載の弁。
【請求項１０】
第１の弁端部を有する弁頭（１０８）と、
前記弁頭（１０８）から延在し、第２の弁端部を有し、第１の長さを有する弁棒（１１０）であって、前記第２の弁端部が前記第１の弁端部の実質的に反対側にある、弁棒（１１０）と、
前記弁の中心線（１９０）軸に合わせられ、前記弁頭（１０８）内に配置された第１の領域（１２８）、および前記弁棒（１１０）内に配置された第２の領域（１３０）を含む空洞（１２６）であって、前記第１の領域（１２８）と前記第２の領域（１３０）が連続した通路を形成し、前記第２の領域（１３０）が前記第１の長さより中心線（１９０）に沿って短い第２の長さを有する、空洞（１２６）と、
前記空洞（１２６）の前記第２の領域（１３０）内に配置された複数の突起（１９８）と、
前記第１の領域（１２８）、前記第２の領域（１３０）、またはそれらの組み合わされた部分内に配置された金属合金であって、２５０℃より低い融点を有する、金属合金と
を含む弁。
【請求項１１】
前記空洞（１２６）の前記第１の領域（１２８）を覆って配置された封止体（２１２）を含み、前記封止体（２１２）が前記空洞（１２６）を塞いで、前記金属合金が前記空洞（１２６）内に保持される、請求項１０記載の弁。
【請求項１２】
前記空洞（１２６）が、前記金属合金の表面と前記空洞の末端との間の隙間（１４８）を含み、前記隙間（１４８）が、前記金属合金が前記第１の領域（１２８）と前記第２の領域（１３０）との間を流れることができるように構成される、請求項１０記載の弁。
【請求項１３】
前記融点が約９０℃と約２００℃の間である、請求項１０記載の弁。
【請求項１４】
前記金属合金が、２５℃において２５（Ｗ／（ｍ・℃））より大きい熱伝導度を有する、請求項１０記載の弁。
【請求項１５】
前記金属合金が無鉛はんだ材料を含む、請求項１０記載の弁。
【請求項１６】
前記弁が往復動エンジン（１０）用の排気弁（４６）である、請求項１０記載の弁。
【請求項１７】
第１の熱伝導材料、第１の端部を有する弁頭（１０８）、および第２の端部を有する弁棒（１１０）を有する弁基本部（１８４）を形成するステップ（１８２）であって、前記第２の端部が前記第１の端部から実質的に反対側にある、ステップ（１８２）と、
前記弁基本部（１８４）内に空洞（１２６）を形成するステップ（１８８）であって、前記空洞（１２６）が、前記弁基本部（１８４）の中心線（１９０）軸に合わせられ、前記弁頭（１０８）内に配置された第１の領域（１２８）、および前記弁棒（１１０）内に配置された第２の領域（１３０）を含み、前記第１の領域（１２８）および前記第２の領域（１３０）が流体的に連結した、ステップ（１８８）と、
第２の熱伝導材料を前記空洞（１２６）の少なくとも一部の中に入れるステップ（２０２）であって、前記第２の熱伝導材料が前記第１の熱伝導材料とは異なり、前記第２の熱伝導材料が金属合金を含む、ステップ（２０２）と
を含む方法（１８０）。
【請求項１８】
封止体（２１２）を前記空洞（１２６）の前記第１の領域（１２８）を覆って配置することによって前記空洞（１２６）を封止するステップ（２１０）を含み、前記封止体（２１２）が前記弁基本体（１８４）の前記第１の端部と面一になる、請求項１７記載の方法（１８０）。
【請求項１９】
前記金属合金が、約９０℃と約２５０℃の間の融点を有する、請求項１７記載の方法（１８０）。
【請求項２０】
前記金属合金が、鉛はんだ材料、銀ろう材料、または錫はんだ材料を含む、請求項１７記載の方法（１８０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書に開示する主題は、往復動エンジンに関し、より詳細には、往復動エンジン用の排気弁に関する。
【背景技術】
【０００２】
この項は、以下に説明および／または特許請求される本開示の様々な態様に関係する可能性がある技術の様々な態様を読者に紹介することを意図する。ここでの考察は、背景情報を読者に提供して本開示の様々な態様をよりよく理解しやすくすることに役立つと考える。したがって、これらの記述はこのような観点から読み取るべきものであって、従来技術を認識するものではないことを理解すべきである。
【０００３】
往復動エンジン（例えば、ディーゼルエンジンなどの内燃エンジン）は、燃焼室内で燃料を酸化剤（例えば、空気）で燃焼させて高温燃焼ガスを発生させ、シリンダ内のピストン（例えば、往復動ピストン）を駆動する。具体的には、高温の燃焼ガスは膨張してピストンに圧力を加え、膨張行程での間にストンの位置をシリンダの頂部から底部まで直線的に移動させる。ピストンは、高温の燃焼ガスによって加えられた圧力（およびピストンの直線運動）を、（例えば、ピストンに連結した連接棒およびクランク軸を介して）回転運動に変換して、１つまたは複数の負荷、例えば発電機を駆動する。シリンダヘッドは一般に、シリンダの頂部にあり、ピストンおよびシリンダの他の構成部品の上方にある。シリンダヘッドはポペット弁（例えば、吸気弁および／または排気弁）を含む場合がある。ポペット弁は、ピストンと同様、往復運動して、流体（例えば、燃料、空気、排気ガス）が燃焼室に流入したり、燃焼室から流出したりすることを可能にする。例えば、エンジンの作動中、ポペット弁はシリンダヘッド内の流体通路を開閉して、燃料（および空気）の燃焼室内への流入、および排気ガスの燃焼室からの流出を制御することができる。
【０００４】
ポペット弁、特に排気弁は、高温や燃焼副生物（例えば、排気ガス、カーボン微粒子など）などの燃焼室の動作条件に曝される。したがって、ポペット弁は、熱応力および過熱を軽減するために冷却することが必要な場合がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第３９４５３５６号明細書
【発明の概要】
【０００６】
本来、特許請求される発明の範囲に相応する特定の実施形態を、以下に要約する。これらの実施形態は、特許請求される本発明の範囲を限定することを意図するものではなく、むしろこれらの実施形態は、本発明の可能な形態の簡潔な概要を提供することのみを意図する。実際、本発明は、下記に説明する実施形態と同様のもの、または異なるものとすることができる様々な形態を含むことができる。
【０００７】
第１の実施形態では、往復動エンジンのシリンダヘッド用の弁は、第１の弁端部および第２の弁端部と、第１の弁端部を有する弁頭と、弁頭から延在し、第１の長さを有する弁棒とを含む。弁棒は第２の弁端部を有し、第２の弁端部は第１の弁端部の実質的に反対側にある。弁はまた、弁の中心線軸に合わせられた空洞を含む。空洞は、弁頭内に配置された第１の領域、および弁棒内に配置された第２の領域を含み、第２の領域は第１の長さより短い第２の長さを有する。弁はさらに、空洞内に配置された金属合金を含む。金属合金は弁頭から弁棒へ熱を伝達することができる。
【０００８】
第２の実施形態では、弁は、第１の弁端部を有する弁頭と、弁頭から延在し、第２の弁端部を有し、第１の長さを有する弁棒とを含む。第２の弁端部は第１の弁端部の実質的に反対側にある。弁はまた、弁の中心線軸に合わせられた空洞を含む。空洞は、弁頭内に配置された第１の領域、および弁棒内に配置された第２の領域を含む。第１の領域と第２の領域は連続した通路を形成し、第２の領域は第１の長さより中心線に沿って短い第２の長さを有する。弁はまた、空洞の第２の領域内に配置された複数の突起と、第１の領域、第２の領域、またはそれらの組み合わされた部分内に配置された金属合金とを含む。金属合金は２５０℃より低い融点を有する。
【０００９】
第３の実施形態では、方法は、第１の熱伝導材料、第１の端部を有する弁頭、および第２の端部を有する弁棒を含む弁基本部を形成するステップを含む。第２の端部は第１の端部から実質的に反対側にある。方法はまた、弁基本部内に空洞を形成するステップを含む。空洞は、弁基本部の中心線軸に合わせられ、弁頭内に配置された第１の領域と弁棒内に配置された第２の領域とを含み、第１の領域および第２の領域は流体的に連結される。方法はまた、第２の熱伝導材料を空洞の少なくとも一部の中に入れるステップを含む。第２の熱伝導材料は第１の熱伝導材料とは異なり、第２の熱伝導材料は金属合金を含む。
【００１０】
本発明のこれらの、および他の特徴、態様、および利点は、図面全体を通して同様の符号が同様の部品を表わす添付の図面を参照して以下の詳細な説明を読むことにより、よりよく理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】往復動またはピストンエンジンの実施形態の側面断面図である。
【図２】シリンダヘッド内に配置されて、図１の往復動エンジンで使用することができる弁であって、金属合金である冷却材を保持する空洞を含む弁の実施形態の断面図である。
【図３】図２の弁を製造するために使用することができる方法の実施形態の流れ図である。
【図４】図３の方法の１つのステップの結果から生じる図２の弁の部分の実施形態の図である。
【図５】図３の方法の様々なステップの結果から生じる、空洞を含む図２の弁の実施形態の図である。
【図６】図３の方法の様々なステップの結果から生じる、空洞内に金属合金を含む図２の弁の実施形態の図である。
【図７】図３の方法の様々なステップの結果から生じる、空洞内に金属合金を保持する封止体を含む図２の弁の実施形態の図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下に、本発明の１つまたは複数の具体的な実施形態を説明する。これらの実施形態を簡潔に説明するために、実際の実施態様のすべての特徴を本明細書で説明するわけではない。いかなるこうした実際の実施態様の開発に際しても、あらゆるエンジニアリングプロジェクトまたは設計プロジェクトと同様に、システム関連およびビジネス関連の制約を遵守することなど、実施態様ごとに変わり得る開発者の特定の目標を達成するために、実施態様特有の多くの決定を行われなければならないことを理解されたい。さらに、このような開発の取り組みは、複雑であり時間を要する場合があるが、それにもかかわらず、この開示の恩恵を受ける当業者にとっては、設計、製作、および製造の定常作業であることを理解されたい。
【００１３】
本発明の様々な実施形態の要素を導入するときに、冠詞「１つ（ａ）」、「１つ（ａｎ）」、「その（ｔｈｅ）」、および「前記（ｓａｉｄ）」は、それらの要素のうちの１つまたは複数があることを意味することを意図する。用語「有する、含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、および「有する（ｈａｖｉｎｇ）」は、包括的であることを意図し、列挙した要素以外に追加の要素があり得ることを意味する。
【００１４】
本開示は、流体冷却ポペット弁（例えば、排気弁）を製造するシステムおよび方法の実施形態を提供する。ポペット弁（例えば、吸気弁および排気弁）は、燃料、空気、および排気ガスなどの流体が往復動エンジンの燃焼室に流入したり、燃焼室から流出したりすることを可能にするために使用される。例えば、エンジンの作動中、吸気弁は、エンジンのシリンダヘッドの通路を開いて燃料および空気が燃焼室に入ることができるように通路内で往復運動する一方、排気弁は、燃料および空気が早期に燃焼室から出ないように、対応する弁座内に着座している。同様に、燃焼後、排気弁は、燃料の燃焼で発生した排気ガスを放出するためにその対応する弁座から持ち上がり、吸気弁はその対応する弁座内に着座している。
【００１５】
ポペット弁、特に排気弁は、排気通路を通って出る排気ガスからの高温に曝される場合がある。例えば、燃料と空気の燃焼から生じる排気ガスは、約４００℃（７５２°Ｆ）から約１１００℃（２７３２°Ｆ）の間の温度を有する場合がある。排気ガスは排気通路を通って出るので、排気弁は弁への高い熱負荷による熱応力および／または過熱を受ける場合がある。ナトリウム金属（例えば、ナトリウム元素）を熱伝導剤として使用して、熱を排気弁の弁頭から弁棒に上げて、排気弁の冷却領域（例えば、エンジンの燃焼室から離れた領域）に効率的に移動することによって排気弁の温度を下げることができる。例えば、ナトリウムを排気弁の中空の空洞内に入れることによって、排気弁の高温の弁頭と弁棒内の低温領域との間で流体連通が可能になる。排気弁が往復運動している間、ナトリウムは、排気弁の加熱領域（例えば、エンジンの燃焼室またはその近くの領域）から排気弁の低温領域に移動し、それによって排気弁の加熱領域の熱負荷が下がる。しかしながら、ナトリウムは排気弁の熱応力および過熱を効果的に軽減する一方、ナトリウムが充填された排気弁の廃棄にはいくつかの不都合なことがあり得る。例えば、ナトリウム金属の特有な化学的性質（例えば、水および／または水蒸気との反応性）により、ナトリウムが充填された排気弁の廃棄は、いくつかの処理および取扱いの工程を踏んでナトリウム金属を適切に廃棄する必要があり得る。この処理および取扱いの工程はナトリウムが充填された排気弁の廃棄費用全体を増大させ、それによってエンジンの修理費用を増大させる可能性がある。したがって、ナトリウム金属と同様の冷却性を有するがより望ましい化学的性質を有する、排気弁用の他の冷却材を組み入れることが好都合となる場合がある。
【００１６】
次に図面を参照すると、図１は、ポペット弁を使用することができる往復動またはピストンエンジン１０の実施形態の側面断面図である。以下の考察では、エンジン１０の長手方向軸または方向１２、半径方向軸または方向１４、および／または周方向軸または方向１６を参照する場合がある。上記のように、特定の実施形態では、エンジン１０は、流体（例えば、燃料、空気、排気ガスなど）がエンジン（例えば、エンジン１０）の燃焼室に流入したり、燃焼室から流出したりすることができるように、ポペット弁を含む場合がある。エンジン１０は、シリンダライナ２０を有するシリンダ１８、ライナ２０およびシリンダ１８の下端２４に結合されたクランクケース２２、ライナ２０およびシリンダ１８の上端２８に結合されたシリンダヘッド２６、ライナ２０内の空洞３２に配置されたピストン３０、ならびにライナ２０内のピストン３０とクランクケース２２内のクランク軸３６を連結する連接棒３４を含む。シリンダヘッド２６は、空気、または燃料と空気の混合物を受け入れる吸気口３８、およびエンジン１０から排気を排出する排気口４０を含む。吸気弁４２（例えば、ポペット弁）は、シリンダヘッド２６および吸気口３８内に配置され、空気、または燃料と空気の混合物をエンジン１０内のピストン３０の上方の空洞３２の部分４４へ吸入するのを調整するように開閉する。排気弁４６は、排気口４０内に配置され、エンジン１０から排気を排出するのを調整するように開閉する。吸気口３８および排気口４０は共に、吸気口３８および排気口４０内に圧入された弁案内を含む場合がある。弁案内によって、吸気弁４２および排気弁４６はそれぞれ動きやすくなる。特定の実施形態（例えば、火花点火エンジン）では、点火プラグ４８は、シリンダヘッド２６の一部を通って延在し、燃焼が起こる空洞３２の部分４４と接触する。いくつかの実施形態（例えば、圧縮着火エンジン）では、点火プラグ４８はなく（または、グロープラグに置き換わり）、着火は主として空気と燃料の混合物の圧縮により起こる。
【００１７】
吸気弁４２が開くと、矢印５２で示すように、燃料と空気の混合物がピストン３０の上方の空洞３２の部分４４へ入ることができる。吸気弁４２および排気弁４６が共に閉じ、ピストン３０が上死点（ＴＤＣ：ｔｏｐ  ｄｅａｄ  ｃｅｎｔｅｒ）近く（すなわち、ピストン３０の位置がクランク軸３６から最も遠く、例えば、ライナ２０またはシリンダ１８の上端２８近く）にあるとき、空気と燃料の混合物の燃焼が火花点火により（他の実施形態では、圧縮着火により）起こる。高温の燃焼ガスは膨張してピストン３０に圧力を加え、膨張行程の間に、ピストンの位置をシリンダライナ２０の頂部（例えば、ＴＤＣ）から底部（例えば、方向１２で、クランク軸３６に最も近くになるピストン３０の位置、例えば、ライナ２０またはシリンダ１８の下端２４近くである下死点（ＢＤＣ：ｂｏｔｔｏｍ  ｄｅａｄ  ｃｅｎｔｅｒ））へ直線的に移動させる。ピストン３０は、燃焼ガスによって加えられた圧力（およびピストンの直線運動）を、（例えば、ピストン３０に連結された連接棒３４およびクランク軸３６を介して）回転運動に変換して、１つまたは複数の負荷（例えば発電機）を駆動する。排気行程では、ピストン３０はＢＤＣからＴＤＣに戻り、その間、排気弁４６は開いて、矢印５４で示すように、排気が排気口４０を経てエンジン１０から出ることができる。
【００１８】
排気口４０を通って出る排気は、約４００℃（７５２°Ｆ）から約１５００℃（２７３２°Ｆ）の間の温度となり得る。したがって、排気弁４６にはかなりの熱負荷がかかり、熱応力および過熱を受ける場合がある。例えば、特定の実施形態では、排気弁４６の温度は９００℃（１６５２°Ｆ）まで達する場合がある。上記のように、ナトリウムは排気弁４６などの排気弁を冷却するために使用することができるが、排気弁を冷却するためには反応性の低い材料を使用することが望ましい。そのようにすれば、ナトリウム冷却の排気弁の廃棄に関連する望ましくない影響を軽減することができる。
【００１９】
図２は、エンジン１０のシリンダヘッド２６内に配置されて、排気ガスを部分４４（例えば、燃焼室）から排出することができる排気弁４６の実施形態の断面図である。排気弁４６は、望ましい化学的性質を有する金属冷却材を含んで、エンジン１０の作動中、排気弁４６を冷却しやすくすることができる。本実施形態は、排気弁４６の状況として考察しているが、排気弁４６は吸気弁４２などの他の任意のポペット弁とすることもできる。排気弁４６はまた、軸方向軸または方向１２、半径方向軸または方向１４、および周方向軸または方向１６を有することができる。
【００２０】
図示の実施形態では、排気弁４６は、弁頭１０８および弁棒１１０（例えば軸）を含む。特定の実施形態では、弁棒末端１１２は先細である。他の実施形態では、弁棒末端１１２は先細ではない。弁棒１１０は、排気口４０につながるシリンダヘッド２６の孔１１４内に挿入される。特定の実施形態では、孔１１４は弁案内１１６（例えば、環状の弁案内）を含む。排気弁４６は孔１１４内を往復運動して、エンジンの燃焼室（例えば、部分４４）からの排気ガスの流れを制御する。留意すべきは、潤滑剤（例えば、オイル）は一般に、孔１１４の表面と弁棒１１０との間の摩擦を減らすために与えられることである。作動中、弁頭１０８は、部分４４に隣接する弁座１２４（例えば、環状の弁座）内に着座することができる。したがって、エンジン１０の作動中の特定の時間、流体が燃焼室（例えば、部分４４）を行き来して流れるのを妨げることができる。例えば、燃料と空気が燃焼室に入るとき、およびそれらが燃焼するとき、排気弁４６は孔１１４を封止して、燃料と空気が早期に燃焼室から出るのを妨げることができる。
【００２１】
上記のように、排気弁４６は、特に弁頭１０８、および少なくとも弁頭１０８に近い弁棒１１０の一部では、燃焼室の動作条件（例えば、高温、排気ガス、カーボン微粒子など）に曝される場合がある。それに応じて、排気弁４６は、弁頭１０８を通って、弁棒１１０の少なくとも一部の中へ軸方向に（例えば、軸１２に沿って）延在する空洞１２６を含む。空洞１２６は、弁頭１０８内に配置された部分１２８、および弁棒１１０内に配置された部分１３０を含む。部分１３０は直径１３２および長さ１３４を有する。長さ１３４は、排気弁４６の全長１３５（例えば、弁頭１０８から弁棒末端１１２まで）より短いか、またはほぼ等しくすることができる。例えば、部分１３０の長さ１３４は、排気弁４６の長さ１３５より約１％から約５０％短くすることができ、例えば、長さ１３５より１％、５％、１５％、２０％、３０％、４０％、または５０％短くすることができる。
【００２２】
部分１２８は、部分１３０の直径１３２より大きな直径１３６を有する。特定の実施形態では、部分１２８の直径１３６は、第１の端部１４０から部分１３０へ長手方向１２に細くなり、その結果、部分１２８は部分１３０に向かって先細（例えば、湾曲した環状、または円錐状）となる。すなわち、部分１２８と部分１３０との接合点の直径１３６は、直径１３２と実質的に等しい。部分１２８は、部分１３０の長さ１３４より約２０％から約５０％短い長さ１３８を有する。部分１２８の長さ１３８は弁頭１０８の全体の寸法に応じた長さにすることができる。空洞１２６の第１の端部１４０および第２の端部１４２はそれぞれ封止され、その結果、空洞１２６は冷却材１４６を保持する。以下に詳細に考察するように、冷却材１４６は、エンジン１０の作動中、排気弁４６の弁頭１０８から弁棒１１０への熱伝達を促進し、それによって弁頭１０８を冷却することができる。
【００２３】
特定の実施形態では、冷却材１４６は固相−液相熱伝達材料とすることができる。すなわち、冷却材１４６は室温（例えば、２５℃／７７°Ｆ）では固相で、エンジン１０の作動状態では溶融する材料を含むことができる。例えば、冷却材１４６は約９０℃（２１２°Ｆ）以上の融点を有することができる。例えば、冷却材１４６は、約１００℃（２１２°Ｆ）と約２２５℃（４３７°Ｆ）の間、約１５０℃（３０２°Ｆ）と約２００℃（３９２°Ｆ）の間などの、約９０℃（１９６°Ｆ）と約２５０℃（４８２°Ｆ）の間の融点、または、エンジン１０の作動中に冷却材１４６が液相であることができる任意の他の適切な温度または温度範囲の融点を有することができる。さらに、冷却材１４６はまた、１０００℃（１８３２°Ｆ）より高い沸点、および２５℃において２５（Ｗ／（ｍ・℃））より大きな熱伝導度を有することができる。排気弁４６の弁頭１０８と弁棒１１０との間の熱伝達を促進するために使用することができる冷却材の非限定的な例としては、鉛−錫合金（例えば、鉛−錫はんだ）、銀合金（例えば、銀ろう）、インジウム合金、アンチモン合金、これらの派生物、あるいは任意の他の適切な鉛または無鉛金属合金などの金属合金が含まれる。留意すべきは、冷却材１４６は実質的にナトリウム元素を含まないことである。
【００２４】
はんだ金属合金は、ナトリウム金属（ナトリウム元素）と同様な冷却特性を有する。しかしながら、はんだ金属合金は、より好ましい化学的性質を有する。例えば、はんだ金属合金の化学反応性は、ナトリウム金属の化学反応性より実質的に低い。したがって、はんだ金属合金を排気弁４６内に組み入れることによって、ナトリウムが充填された排気弁の廃棄に関連する不都合なことを軽減することができる。さらに、より多くのナトリウムが充填された排気弁に関連する処理および取扱いが減少することに部分的に起因して、金属合金冷却の排気弁の廃棄費用を削減することができる。留意すべきは、任意の他の非元素金属の熱伝達材料もまた使用することができることである。
【００２５】
エンジン１０の作動中、冷却材１４６は、燃焼室（例えば、部分４４）内で発生した熱、および／または排気ガスからの熱を吸収することができる。したがって、その熱が冷却材１４６を溶かして液状にする。排気弁４６の往復並進運動によって、溶融した冷却材１４６（例えば、液体金属冷却材１４６）は空洞１２６内で上下に動くことができる。すなわち、排気弁４６の往復運動が「カクテルシェーカー」効果を生み出す。したがって、溶融した冷却材１４６は高温の弁頭部１２８から低温の弁棒部１３０に流れる。したがって、冷却材１４６は熱を弁頭１０８から弁棒１１０に伝達し、その結果、弁頭１０８が冷却される。したがって、熱応力、弁の歪み、および弁の過熱を軽減することができ、エンジンの信頼性を向上させることができる。冷却材１４６が弁頭１０８から弁棒１１０に流れやすくするために、空洞１２６を部分的に冷却材１４６で充填して、溶融した冷却材１４６と端部１４０、１４２との間に隙間１４８を形成することができる。例えば、冷却材１４６は、空洞１２６の約３０％、４０％、５０％、６０％、７０％、８０％、または９０％以下など、約３０％から約９０％の間で満たすことができる。特定の実施形態では、冷却材１４６は、空洞１２６の弁頭部１２８のみ、または弁棒部１３０のみを満たすことができる。こうして、溶融した冷却材１４６は弁頭部１２８および弁棒部１３０を出入りして流れて、（例えば、弁頭部１２８からの熱を弁棒部１３０、およびより冷却する案内１１６に導くことによって）排気弁４６を冷却することができる。
【００２６】
本開示の実施形態はまた、排気弁４６を製造する方法を含む。図３は、排気弁４６を製造するために使用することができる方法１８０の実施形態である。排気弁４６は、吸気弁としても使用できるが、様々な製造技法（例えば、鋳造、押し出し加工、旋削加工／フライス加工）、付加製造（例えば、３Ｄ印刷）、または任意の他の適切な製造技法によって製造することができる。方法１８０の態様を考察しやすくするために、図４から７で、方法１８０を行った結果の対応する構造を参照する。
【００２７】
方法１８０は、弁頭１０８および弁棒１１０を有する弁本体を生成することを含む（ブロック１８２）。例えば、図４を参照すると、ブロック１８２を行った形状が示される。図４の図は、弁頭１０８および弁棒１１０を有する弁本体１８４の断面を示す。特定の実施形態では、弁本体１８４は、限定するものではないが、とりわけ、銅、アルミニウム、およびそれらのそれぞれの合金などの熱伝導弁材料から鋳造または押し出し加工される。留意すべきは、熱伝導弁材料は、冷却材１４６として使用される金属合金とは異なることである。弁本体１８４は、旋削加工またはフライス加工されて弁頭１０８および弁棒１１０を形成することができる。いくつかの実施形態では、弁本体１８４は、限定するものではないが、鋼、鋳鉄、およびそれらの派生物などの熱伝導弁材料と耐摩耗材料を組み合わせたものを含むことができる。
【００２８】
図３の方法１８０に戻ると、弁本体１８４の情報に続いて、熱伝導弁材料の一部分は取り除かれて空洞１２６を形成することができる（ブロック１８８）。例えば、図５に示すように、熱伝導弁材料が弁頭１０８および弁棒１１０の一部分から中心線１９０に沿って取り除かれて空洞１２６を形成する。例えば、熱伝導弁材料は、旋削加工またはフライス加工の技法を用いて取り除かれて空洞１２６を形成することができる。空洞１２６は、弁近位端１９４から距離１９２で終端とすることができる（例えば、端部１４２）。距離１９２は、部分１２８、１３０の長さ１３４、１３８の和と等しくすることができる。例えば、距離１９２は、弁本体１８４の全長１３５の約５５％から約９５％の間、約６０％から約９０％の間、約６５％から８５％の間、または約７０％から約８０％の間など、約５０％から約９９％の間とすることができる。特定の実施形態では、空洞１２６は、エンジン１０の作動中、空洞１２６内の冷却材１４６の混合を促進する隆起または突起１９８（例えば、異なる軸方向位置の環状の突起および／または周方向に間隔を置いて配置した突起）を含むことができる。空洞１２６内で冷却材１４６を混合すると、冷却材１４６によって吸収された熱の放散を促進することができ、それによって、冷却材１４６から弁棒１１０への熱伝達の効率が上昇する。留意すべきことは、特定の実施形態では、弁本体１８４は、空洞１２６を含むように鋳造（例えば、成型）することができることである。すなわち、空洞１２６が弁本体１８４の形成（例えば、鋳造）の間に形成されるので、熱伝導弁材料の部分を取り除く必要性をなくすることができる。
【００２９】
再び図３の方法１８０に戻ると、方法１８０は、ブロック１８８に従って熱伝導弁材料の一部分を取り除いて、冷却材１４６を空洞１２６に加えることを含む（ブロック２０２）。冷却材１４６の非限定的な例には、錫（Ｓｎ）はんだ派生物、および銀（Ａｇ）ろう派生物、およびこれらを組み合わせたものなどの金属合金が含まれる。例えば、金属合金には、６０／４０錫（Ｓｎ）／鉛（Ｐｂ）、６３／３７Ｓｎ／Ｐｂ、Ｓｎ50Ｚｎ49Ｃｕ1（錫／亜鉛／銅）、Ｓｎ96.5Ａｇ3.0Ｃｕ0.5（錫／銀／銅）、Ｓｎ95.8Ａｇ3.5Ｃｕ0.7、Ｉｎ90Ａｇ10（インジウム／銀）、ＩＮ50Ｓｎ50、または任意の他の適切な金属合金が含まれる場合がある。図６を参照すると、冷却材１４６の上面２０４が、弁頭部１２８と弁棒部１３０との間の接合点２０６にあるように、冷却材１４６は空洞１２６内に入れられる。隙間１４８は空洞１２６の弁頭部１２８内に形成され、それによって、冷却材１４６は、エンジン１０の作動中、空洞１２６内で動くことができる。したがって、冷却材１４６によって、排気弁４６の弁頭１０８から弁棒１１０への熱伝達が可能になる。特定の実施形態では、冷却材１４６は空洞１２６内に配置する前に溶融される（例えば、液状の材料１４６を空洞１２６内に注ぐ）。これによって、冷却材１４６を空洞１２６に容易に加えることができる。他の実施形態では、冷却材１４６は、弁棒部１３０内にぴったり合った寸法の固体構造体とすることができる。この固体構造体を空洞１２６の弁棒部１３０に挿入して圧入することができる。エンジン１０の作動中、固体構造体は溶け、それによって、上記のように熱伝達が可能になる。
【００３０】
図３の方法１８０に戻ると、一旦、冷却材１４６がブロック２０２に従って空洞１２６内に加えられると、空洞は封止されて、エンジン１０の作動中、冷却材１４６を空洞１２６内に保持する（ブロック２１０）。図７に示すように、封止体２１２は、空洞１２８を直接覆って弁近位端１９４に配置される。特定の実施形態では、封止体２１２は、弁近位端１９４に、例えば、摩擦溶接または電子ビーム溶接などで溶接することができる。しかしながら、ろう付けおよびはんだ付けなどの任意の他の結合技法を、封止体２１２を弁近位端１９４に接合するのに利用することができる。封止体２１２もまた、ブロック１８２に従って排気弁４６を製造するために使用された熱伝導材料と同様の熱伝導材料である。
【００３１】
上記のように、排気弁４６の特定の実施形態は、排気弁４６の冷却を促進するためはんだ金属合金（例えば、冷却材１４６）を空洞１２６内に組み入れることを含む。現在の排気弁内のナトリウム金属と同様に、はんだ金属合金（例えば、冷却材１４６）は、弁頭１０８から弁棒１１０に熱を伝達することができて、エンジン１０の作動中、弁頭１０８を冷却することができる。ナトリウム金属を使用せずにはんだ金属合金を使用することによって、ナトリウムが充填された排気弁の廃棄および取扱いに関連する問題を軽減することができる。例えば、これらの金属合金がより反応性の低い化学的性質であることにより、ナトリウム金属の廃棄に関連する廃棄処理および取扱い工程を除くことができる。したがって、排気弁４６などの金属合金が充填された排気弁の全体的な廃棄費用を低減することができる。これに加えて、金属合金が充填された排気弁の廃棄費用が減少するので、エンジン修理費用もまた減少する。
【００３２】
本明細書では、最良の態様を含む例を用いて本発明を開示し、さらに、任意の装置またはシステムの作製および使用、ならびに任意の組み入れられた方法の実施を含め、当業者が本発明を実施できるように本発明を開示している。本発明の特許性を有する範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者が想到する他の例も含むことができる。このような他の例は、特許請求の範囲の文言と相違ない構成要素を有する場合、または特許請求の範囲の文言と実質的に相違ない等価の構成要素を含む場合、特許請求の範囲内であることを意図している。
【符号の説明】
【００３３】
１０  エンジン
１２  長手方向軸または方向
１４  半径方向軸または方向
１６  周方向軸または方向
１８  シリンダ
２０  シリンダライナ
２２  クランクケース
２４  ライナおよびシリンダの下端
２６  シリンダヘッド
２８  ライナおよびシリンダの上端
３０  ピストン
３２  空洞
３４  連接棒
３６  クランク軸
３８  吸気口
４０  排気口
４２  吸気弁
４４  空洞の部分
４６  排気弁
４８  点火プラグ
５２  燃料と空気の混合物の流れ
５４  排気の流れ
１０８  弁頭
１１０  弁棒
１１２  弁棒末端
１１４  シリンダヘッドの孔
１１６  弁案内
１２４  弁座
１２６  空洞
１２８  弁頭の空洞部分
１３０  弁棒の空洞部分
１３２  部分１３０の直径
１３４  部分１３０の長さ
１３５  排気弁の全長
１３６  部分１２８の直径
１３８  部分１２８の長さ
１４０  第１の端部
１４２  第２の端部
１４６  冷却材
１４８  隙間
１８０  排気弁を製造するための方法
１８２  ブロック
１８４  弁本体
１８８  ブロック
１９０  中心線
１９２  空洞の距離
１９４  弁近位端
１９８  隆起または突起
２０２  ブロック
２０４  冷却材の上面
２０６  接合点
２１０  ブロック
２１２  封止体
【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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【外国語明細書】
2016114052000001.pdf