(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関のための超軽量のポペットバルブ（１０）であって、ステム部分（１２）と、キャップ部分（１４）と、チップ部分（１８）と、前記ステム部分と前記キャップ部分の間の遷移領域を形成するフレア形のフィレット部分（１６）とを有し、
前記ステム部分、前記チップ部分、および前記フィレット部分は、フィレット端では開いてチップ端では閉じている一体の薄肉の円筒形の部材で形成され、前記キャップ部分は、前記フィレット部分に取り付けられたディスク形のキャップ部材で形成されている、超軽量のポペットバルブにおいて、
前記フィレット部分と前記チップ部分は、いずれも前記ポペットバルブが作られる最初の金属板の厚さに実質的に等しい第１の最大壁厚さ（ｔ１）、第３の壁厚さ（ｔ３）をそれぞれ有し、前記ステム部分は前記金属板の厚さよりも薄い第２の最大壁厚さ（ｔ２）を有していることを特徴とする超軽量のポペットバルブ。
【請求項２】
前記ステム部分と前記チップ部分が交わる場所において形成されたベベル形の面（１９）を含んでいる、請求項１記載の超軽量のポペットバルブ。
【請求項３】
前記ベベル形の面が40±10°の角度で形成されている、請求項２記載の超軽量のポペットバルブ。
【請求項４】
前記ステム部分において形成された１つまたは複数の溝（２６）を含んでいる、請求項１から３のいずれか１項に記載の超軽量のポペットバルブ。
【請求項５】
前記キャップ部材の頂面は、前記内燃機関で発生される燃焼圧力にさらされる燃焼側の面（２２）を形成し、該燃焼側の面は、前記ステム部分の長さ方向軸線に垂直な線に対して第１の角度（ａ）をなすように形成された回転面であり、前記燃焼側の面の反対側の面は、前記ステム部分の長さ方向軸線に垂直な前記線に対して第２の角度（ｂ）をなすように形成されている、請求項１記載の超軽量のポペットバルブ。
【請求項６】
前記第１の角度が０°であり、前記第２の角度も０°である、請求項５記載の超軽量のポペットバルブ。
【請求項７】
前記第１と第２の角度がいずれも０°より大きく、そして相等しい、請求項５に記載の超軽量のポペットバルブ。
【請求項８】
前記第１の角度が前記第２の角度よりも大きい、請求項５記載の超軽量のポペットバルブ。
【請求項９】
前記第１の角度が前記第２の角度よりも小さい、請求項５記載の超軽量のポペットバルブ。
【請求項１０】
前記キャップ部材が、自身の上に形成された１つまたは複数の、半径方向に配置されたリブ（２９）を有している、請求項５から９のいずれか１項に記載の超軽量のポペットバルブ。
【請求項１１】
前記バルブが、キャップ部材上に形成されたバルブシート係合面（２０）を含んでいる、請求項１記載の超軽量のポペットバルブ。
【請求項１２】
前記バルブが、前記フィレット部分の上に形成されたバルブシート係合面（２０ｂ，２０ｃ）を含んでいる請求項１記載の超軽量のポペットバルブ。
【請求項１３】
前記バルブの中に収容された蒸発性液体の冷却剤を含んでいる、請求項１記載の超軽量のポペットバルブ。
【請求項１４】
前記バルブの排除容積の、キャビティ容積に対する比が3.25よりも小さい、請求項１記載の超軽量のポペットバルブ。
【請求項１５】
前記バルブステムの外側直径の、前記バルブステムの内側直径に対する比が1.25よりも小さい、請求項１記載の超軽量のポペットバルブ。
【請求項１６】
請求項１から１５のいずれかに記載の、内燃機関のための超軽量のポペットバルブ（１０）を製造する方法であって、
平らな金属板の素材（１２ａ）を準備するステップと、前記素材に、直径は次第に小さく長さは次第に長くなっている複数のマンドレル（３０ｂ，３０ｃ，３０ｄ）を順次に係合させ、それにより、前記素材を絞って、ほぼ平らな閉じた端とフレア形の開いた端を有する一方に長い円筒（１２，１６，１８）にする複数の冷間成形工程を実施するステップと、前記のフレア形の端に、実質的にディスクの形のキャップ部材（１４）を溶接するステップを有する、超軽量のポペットバルブの製造方法。
【請求項１７】
前記円筒に環状の溝（２６）を、前記円筒の壁を内方へと変位させることによって形成するステップを含む、請求項１６記載の超軽量のポペットバルブの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、一般的には内燃機関用のポペットバルブに関し、特に、高い強度対重量特性を維持し、かつ、軽量化したポペットバルブおよびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関のポペットバルブは、最も普通には、機械加工、鍛造、または押出しによって、高強度で耐熱性の中実の素材を作り、その素材に、仕上げ機械加工や研削の加工を施す、ということで製造されている。
【０００３】
幾つかの利用分野では、要求される性能に応えるため、製造プロセスの間にナトリウムのような冷却剤を中に入れ得るようにステムを中空にしたポペットバルブが用いられている。従来技術においては、このような中空のステムは、ステムのドリリング加工のような方法によってか、またはステムを、マンドレルつまり着脱可能のコアを用いて押出しつまり鍛造することによって形成されている。
【０００４】
米国特許第 5,054,195号明細書にはポペットバルブの製造プロセスが開示されている。そのポペットバルブは、管状の素材を冷間成形によって所望のステム部直径にし、ステム直径と素材直径の間の遷移領域をニーディングプロセスまたは類似の方法で円弧状に成形することによってバルブのフィレット部分を限定し、フィレット部分の外側直径またはその付近で素材を切り落し、バルブのヘッド部を限定するキャップを取り付け、キャビティを閉じるべく追加の部品をバルブのチップ端に取り付ける、ということにより製造されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来技術による中実のポペットバルブにおいては、ポペットバルブの構造上重量の軽減は難しい。また、上記公知の製造プロセスで製造された中空のポペットバルブにおいては、従来技術による中実のポペットバルブよりもかなり軽量ではあるものの、内燃機関における性能、燃費、および排気ガス制御の標準が益々厳格になったために、さらなる重量の軽減が必要であり、それは、従来技術によるプロセスでは経済的に達成され得ないと考えられる。さらに、目下進行中の、バルブが電気的または流体圧的アクチュエータによって直接的に開閉されるという方式のカムレスのバルブ作動の開発では、従来技術でならばポペットバルブの質量によって要求されるはずの過度な作動用エネルギーを避けるためにポペットバルブの質量に制限を課しており、さらなるポペットバルブの重量の軽減が要求されている。
【０００６】
本発明の目的は、高い強度対重量特性を維持し、かつ、軽量化した超軽量のポペットバルブおよびその製造方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明のポペットバルブは、内燃機関のための超軽量のポペットバルブであって、ステム部分と、キャップ部分と、チップ部分と、ステム部分とキャップ部分の間の遷移領域を形成するフレア形のフィレット部分とを有し、ステム部分、チップ部分、およびフィレット部分は、フィレット端では開いてチップ端では閉じている一体の薄肉の円筒形の部材とされ、キャップ部分は、フィレット部分に取り付けられたディスク形のキャップ部材とされている。
【０００８】
この場合、フィレット部分とチップ部分は、いずれもポペットバルブが作られる最初の金属板の厚さに実質的に等しい第１の最大壁厚さ、第３の厚さをそれぞれ有し、前記ステム部分は前記金属板の厚さよりも薄い第２の最大壁厚さを有している。
【００１０】
さらに、ステム部分とチップ部分が交わる場所において形成されたベベル形の面を含んでいてもよい。
【００１１】
さらに、ベベル形の面が40±10°の角度で形成されていてもよい。
【００１２】
さらに、ステム部分において形成された一つまたは複数の溝を含んでいてもよい。
【００１３】
さらに、キャップ部材の頂面は、内燃機関で発生される燃焼圧力にさらされる燃焼側の面を形成し、該燃焼側の面は、ステム部分の長さ方向軸線に垂直な線に対して第１の角度をなすように形成された回転面であり、前記燃焼側の面の反対側の面は、前記ステム部分の長さ方向軸線に垂直な前記の線に対して第２の角度をなすように形成されていてもよい。
【００１４】
この場合、第１の角度が０°であり、第２の角度も０°であるように成形されてもよい。
【００１５】
さらに、第１と第２の角度が、いずれも０°より大きく、そして相等しいように形成されてもよい。
【００１６】
さらに、第１の角度が第２の角度よりも大きく成形されてもよい。
【００１７】
さらに、第１の角度が第２の角度よりも小さく成形されてもよい。
【００１８】
さらに、キャップ部材が、自身の上に形成された一つまたは複数の、半径方向に配置されたリブを有していてもよい。
【００２０】
さらに、バルブが、キャップ部材上に形成されたバルブシート係合面を含んでいてもよい。
【００２１】
さらに、バルブが、フィレット部分の上に形成されたバルブシート係合面を含んでいてもよい。
【００２２】
さらに、バルブの中に収容された蒸発性液体の冷却剤を含んでいてもよい。
【００２３】
さらに、バルブの排除容積の、キャビティ容積に対する比が3.25よりも小さく設定されていてもよい。
【００２４】
さらに、バルブステムの外側直径の、バルブステムの内側直径に対する比が1.25よりも小さく設定されていてもよい。
【００２８】
本発明のポペットバルブの製造方法は、内燃機関のための超軽量のポペットバルブを製造する方法であって、平らな金属の素材を準備するステップと、前記素材に、直径は次第に小さく長さは次第に長くなっている複数のマンドレルを前記素材に順次に係合させ、それにより、前記素材を絞って、ほぼ平らな閉じた端とフレア形の開いた端を有する一方に長い円筒にする冷間成形ステップと、前記のフレア形の端に、実質的にディスクの形のキャップ部材を溶接するステップを有している。
【００２９】
この場合、円筒に環状の溝を、円筒の壁を内方へと変位させることによって形成するステップを含んでいてもよい。
【００３５】
【作用】
最小の重量という目的を達成するために、本発明は、ポペットバルブのチップ部とフィレット部を一体構造として含むステム要素と、ステム要素に望ましくは溶接されているキャップを含んで成るポペットバルブを提供している。望ましい実施態様においては、ポペットバルブのシート面はキャップ要素上に形成されているが、代案の実施態様では、シート面は、フィレットとステム要素の間の溶接継手の一部として、またはステム要素上に形成されている。
【００３６】
本発明によれば、ステム要素は、ポペットバルブのフィレット領域を限定しているフレア形の開いた端とチップを限定している一つの閉じた端を有するカップの形をなしていて、チップに至るまでずっと中空になっている。
【００３７】
また、本発明によれば、ステム要素の壁断面は、フィレット領域において比較的に厚く、次第に薄くなって残りのステムの長さ部分のほぼ一様な厚さへと続いており、チップ端においては再び比較的に厚くなっている。
【００３８】
本発明においては、ステム要素は、深絞りプロセスによって製造され、すなわち、板状のディスクの形での最初の素材に複数の冷間絞りステップを施すことにより、一方に長くてフレア形になったカップが作られており、そのカップのフレア形の端の外側エッジ部とチップ端は、ほぼ、最初の素材の厚さになっている。本発明の一つの局面によれば、絞りプロセスへの追加のステップとして、１本またはより多くのキーパー(keeper)溝が、中空のステムに、ロール押し込みで作られている。
【００３９】
本発明によって用いられている深絞りプロセスは、今までは、エンジンのバルブ、特には排気バルブを製造するためには実用的でないと考えられていた。何故ならば、深絞りされるに十分な延性を有する材料はエンジンのバルブで用いられるに十分な高温強度特性を有するとは考えられなかったからである。しかし、本発明は、絞られたステム要素を、冷却や、強度を高める特徴的設計と組み合わせて利用しているので、この分野のための高延性の材料の使用が実用的になっている。
【００４０】
本発明の他の局面によれば、キャップ要素が、バルブの強度と剛性を高めるに最適の形になっており、なお、キャップは、最適の応力／温度関係が存在する領域においてステムに溶接されており、また、別の実施態様によれば、キャップは、バルブの燃焼側の面の剛性を高めると共に燃焼側の面と内部の冷却剤の間の熱伝達を改善する働きをする複数のリブを含んでいる。
【００４１】
本発明の超軽量のポペットバルブは、チップ部とフィレット部が一体構造となったステム要素にバルブの強度と剛性を高めるに最適な形状のキャップが溶接されているので、深絞りされるに十分な延性を有する材料をステム要素に用いてもバルブの強度対重量特性を損なうことはない。しかも、ステム要素は、ポペットバルブのフィレット領域を限定しているフレア形の開いた端と、チップを限定している１つの閉じた端を有するカップの形をなしていて、チップに至るまでずっと中空になっているので、高い強度対重量特性を維持し、かつ軽量化したポペットバルブを形成することが可能となる。
【００４２】
また、本発明のポペットバルブにおいては、ステム要素の極めて薄い壁断面と、バルブの強度と剛性を高めるに最適な形状のキャップとの組み合せによって、ポペットバルブに加わる最大応力の区域をバルブの中心から温度が比較的に低いレベルにあるバルブの外側エッジの方へと移動することができるので、最大応力の区域を最高温度の区域から離すことができ、これにより、よりフレキシブルなポペットバルブの材料の選択が可能となる。
【００４３】
さらに、本発明のポペットバルブでは、そのシート面はキャップとステム要素とを組み合せて溶接され、その溶接は最適の応力／温度関係が存在する領域において行なわれるるので、より硬いシート面を提供することが可能となる。
【００４４】
また、本発明の冷却剤を充填したポペットバルブでは、ポペットバルブのステム要素の壁は極端に薄いものとなっているので、ポペットバルブのステム要素の壁が内部の冷却剤から外部のシリンダヘッドのバルブガイドに至る熱伝達の障壁として働く障壁効果を大きく軽減することが可能となる。
【００４５】
【実施例】
本発明のその他の局面や利点は、添付の図面と関係づけて以降の説明を熟考することから明らかになって来るであろう。
【００４６】
図１を参照して詳細に説明する。図１にはポペットバルブ１０が示されており、そのポペットバルブは、ステム要素１２と、そのステム要素に溶接または他の方法で結合されたキャップ部材１４を含んで成っている。
【００４７】
望ましい実施例においては、吸気バルブのためのステム要素は、SAE 1008鋼のような延性金属の板製品を用いて製造され得るが、排気バルブのためのステム要素は、UNS 305のようなステンレス鋼またはIncoloy 800を用いて製造され得る。そして、どちらの場合も、キャップは、ステンレス鋼または他の耐性ある材料で形成される。個々の場合の材料がエンジンの利用分野に依存して変わるということは理解されることである。
【００４８】
より詳しくは後述するが、ステム要素１２は、深絞りプロセスによって成形されていて、その成形の結果、フィレット領域１６においては第１の壁厚さはｔ1 となっている。それはフィレット領域の最も外側において最大であり、ステムの長さ全体に渡ってはｔ1 よりも小さなほぼ一様な第２の厚さｔ2 となっており、チップ１８においてはｔ1 とほぼ同じ厚さである第３の厚さｔ3 となっている。
【００４９】
図１ａは、代案のチップの設計を示していて、そこでは、チップ１８ａは、バルブのチップ端の剛性を増大させるためのベベル形部分１９を含んでいる。図示の例では、そのベベル形部分が40±10°の角度で形成されているのが望ましい。
【００５０】
図２ａ〜２ｃには、形状の異なるキャップ部材が示されている。図２ａを見るに、キャップ部材１４はディスクであって、そのディスクは、凸形の燃焼側の面２２と凹形の内側面２３を有するように形成されているのが望ましい。シート面２０が、機械加工、肉盛り機械加工、または他の公知の方法によって形成され得る。望ましい実施例においては、ディスクの強度対重量の比が、角度ｂが角度ａより大きくなるように外側から壁にテーパをつけることによって、最大にされている。望ましい実施例においては、角度ａは、ステムの長手方向軸線に垂直な線に対して約 5°であり、角度ｂは、そのような線に対して約10°である。望ましい実施例の場合には上記のとおりであるが、図２ｂに示されているように角度ａが角度ｂと等しいとか、図２ｃに示されているように角度ａが角度ｂよりも大きいといった形状も用いられ得る。
【００５１】
望ましい実施例においては、キャップがステム要素１２に溶接部２４において溶接されており、なお、キーパー溝２６が、バルブのチップ端の近くのステムの壁にロール押し込みによって形成されている。溶接部２４は、レーザ溶接、ＴＩＧ溶接、ＭＩＧ溶接、ＥＢ溶接、および抵抗溶接の技術などの種々の公知のプロセスによって行われ得るが、その溶接は、フィレット１６の外側エッジとシート面の近くのキャップ上に形成された面２５の間の境界部に位置していて、その場所は、後述するように、隣接区域よりも比較的に温度が低く、したがって材料の強度特性が高い区域になっている。バルブが流体圧的または電気的アクチュエータによって直接的に開閉されるという利用分野においては、キーパー溝を含める必要はないであろう。
【００５２】
本発明によれば、ステム要素は、深絞りとして知られている冷間成形プロセスによって形成されていて、そのプロセスは、典型的には、いわゆるトランスファプレスによって遂行される。このプロセスにおいては、一連の絞りステップが加工片に施されるが、その一連の絞りステップは、平らな板状ディスクから出発し、一つの絞り工具のセットから次の絞り工具のセットへと段階的に移行される。単一のトランスファマシンの中で複数のステップが遂行されるが、各々のステップは、別々のカム作動で行われる。
【００５３】
このプロセスの結果として、平らなディスクは、ディスクの直径に近く、一方に長い真直な形のカップ形の部材へと変形される。図示するようなこのプロセスでは、格別に薄肉で、しかしながら、比較的に強度が高い部品を冷間加工の絞りプロセスで製造することが可能である。
【００５４】
図３ａ〜３ｄには、トランスファプロセスにおける幾つかの典型的ステップが略図的に示されている。それらステップは、図３ａの板状ディスク１２（ａ）で出発し、図３ｂ，３ｃで図示されているような、最終のバルブの長さに依存する幾つかの中間ステップを経て進行し、各ステップ間においては、加工片はそれぞれ異なる保持具２８ｂ〜２８ｄの中で保持され、カムで作動させられるプランジャつまりそれぞれ異なるマンドレル３０ｂ〜３０ｄが加工片にかん合されるので、加工片は絞られて所望の形になる。
【００５５】
絞りプロセスの中で、または絞りプロセスの完了後に、開いたフレア形の端を切り落とすとか、フィレット部分の半径を合わせるとか、ステム部分の直径を最終値にするとかの追加的なステップが行われてよい。バルブのチップが所望の最終の形（図示の実施例では平ら）になることを確実にするために、さらなるプレス作業が行われてもよい。
【００５６】
次に、図４および図５を参照して、本発明をさらに詳細に説明する。本発明は、キーパー溝２６が冷間成形プロセスの一部として形成されるという一つのステップを含んでいてよい。このステップにおいては、ほぼ完成の形状になった加工片がトランスファプレスの中の一つのステーションに移送され、そこで加工片は、図５の矢印で示されているように相互に反対の方向に動くように歯車または他の方法で相互に連結された二つのダイ３２と３４の間に収容され、加工片は、それらダイの間でロールされる。
【００５７】
ダイ３２は、溝２６を形成できるように、加工片を把持するために自身の上に形成されたローレット面または他の高摩擦の面３３を有しており、一方ダイ３４は、加工片の材料を変位させてキーパー溝を形成するための、斜面の形をして自身の上にある突起３５を有している。
【００５８】
溝を形成するためには他の方法も用いられ得るのであり、それら方法の中には、半径方向に動き得る複数の円形ダイを加工片を包囲する位置関係で用いるという方法がある。材料が変位するのであるから、チップ端の形を確実にするためとか、ステム部分の最終の寸法を得るのための最終のステップは、溝のロール成形のステップの後に行われる。ここでは単一の溝を示したが、もし、特別なエンジンの設計のためとか、または、追加的な剛性を付与するために必要ならば、種々の形の複数の溝が形成され得る、ということは理解され得ることである。
【００５９】
上記のプロセスから結果としてできる最終のステム要素１２は、チップ端が一体物であることと、フィレットとチップの区域での厚さ（それぞれｔ1 とｔ3 ）は実質上最初の金属板（図３ａの１２ａ）の厚さであるものの、ステムの真直の部分の長さ全体を通して壁が極めて薄くなっていることを特徴としている。
【００６０】
この壁厚さの関係とキャップ１４の設計の意義は、図６、および７を見れば理解されよう。それらの図は、同様の形に作られた二つの、中空で 50%までナトリウム・カリウム冷却材が充填された排気バルブの、温度、応力、および強度のプロフィルを比較して示している。
【００６１】
図６ａ〜６ｃは、400シリーズのマルテンサイト系ステンレス鋼または21-2nステンレス鋼から製造された、ドリリングされた従来技術によるバルブに関し、実験データや有限要素解析で得られた結果を含めている。図７ａ〜７ｃは、本発明によるバルブに関し、経験上や有限要素解析によって得られた結果を含めている。
【００６２】
図６ｂ，および６ｃに示すように、最大の応力も最高の温度も中心線とシート面間であるフィレットの区域内のほぼ中間点で起こることと、この点における温度の曲線の顕著なピークが材料強度の曲線において対応する凹みを生じさせていることが知られる。
【００６３】
図７ｂ、および７ｃは、本発明のバルブにおいて得られると期待される特性を表しており、そこでは、極めて薄い壁構造の結果として、熱伝達特性が改善され、応力プロフィルも改善されている。最高の温度が従来技術によるバルブと同じ区域で起こっているものの温度曲線はほぼ平らである、ということが知られる。
【００６４】
本発明のバルブにおいては、ステム部分の極めて薄い壁断面と、ステムのフレア形になったフィレット部分を橋渡ししているキャップの設計とが組み合わされて、最大応力の区域をバルブの中心線から外方に、つまり、温度が比較的に低いレベルにあるバルブの外側エッジの方へと移行させる働きをする。
【００６５】
この、最大応力の区域を最高温度の区域から離すことにより、用いられ得る材料の選択が、よりフレキシブルになる。何故ならば、材料の強度特性は、一般に温度が低くなると高くなるからである。強度曲線が比較的に平らであることも、材料の選択がよりフレキシブルになることに寄与する。さらにあるこの構造の利点は、ステム部分とキャップの間の溶接継手もが比較的に低い温度の区域に位置し得ることにある。
【００６６】
再び図２ａを見るに、最大応力の位置とレベルは、かなりの程度にキャップ１４の設計によって影響されるのであって、そこで後述の図８および図９に示されている望ましい実施例は、最高にされた強度／剛性と最小にされた重量の最適の組み合わせを実現している。
【００６７】
図８および図９には本発明の代案の実施例が示されていて、その実施例においては、キャップ１４ｂが平らな燃焼側の面２２ａを有しており、なお、複数のリブ２９が、図８において実線で示されているように内側面上に、または破線で示されているように，燃焼側の面上（２９′）に形成されている。それらリブは、キャップのためのスチフナとして働き、実質上、図１の実施例の角度付きの形と同様の機能を果たす。なお、それらリブは、燃焼側の面の剛性を高めることができるとともに、キャップの表面積を増大させ、それにより、熱伝達を改善する。
【００６８】
図１０には一つの代案の実施例が示されており、その実施例においては、キャップ１４ｄが、シート面の区域の中でギャップを残すような寸法にされている。このギャップは、ステライトのようなシート用ハードフェーシング材料、または他の公知のハードフェーシング材料で充填され、それから、最終のシート面の形状になるように仕上げられ、それにより、硬化されたシート面２０ａが限定されると共に、キャップがステム要素１２ａに取り付けられる。
【００６９】
このような構造は、航空エンジンにおけるような、極端に硬いシート面が要求される利用分野において用いられていて、キャップをステム要素に取り付けることと、硬いシート面を形成することを組み合わせて一つの作業にしている。
【００７０】
図１１に示された実施例においては、シート面２０ｂがステム要素の上に形成されるようにステム要素１２ｂが形成されており、キャップ１４ｂはステム要素の内側に嵌め込まれ、ステム要素に３８において溶接されている。図示の実施例においては、キャップは平らな燃焼側の面を有するように形成されているが、キャップは、ここで説明されているものを含み、なお、上述したリブ付きの形を含んでもよい種々の個々の形に形成され得る、ということは理解され得ることである。
【００７１】
図１２は、一つの実施例を図示していて、その実施例においては、シート面２０ｃがステム要素上に形成されていて、キャップ１４ｃはステム要素に３９において突合せ溶接されている。ここにおいても、キャップの個々の形は、図１１について説明したように、種々に変えられる。
【００７２】
本発明のバルブ１０は、特には吸気バルブとして、それの極端な軽量さが利用されるように、冷却剤の付加なしで用いられ得るが、排気バルブとして利用されるためには、冷却をよりよくするように、キャップ１４をステム１２に溶接するよりも前に、図１において参照番号４２をつけて破線で示してある選定されたレベルまで、ナトリウム・カリウム(NaK)または水のような冷却剤が付加されることが期待される。
【００７３】
そのような冷却剤を付加することは、この技術分野ではよく知られたことであるが、本発明のバルブの極端に薄い壁断面は、図１３ｂと図１３ｃの対比で示されているように、冷却剤のために利用され得る容積をかなり増大させており、また、冷却剤にさらされている伝熱面を増大させている。
【００７４】
また、冷却剤を充填したバルブにおいては、バルブのステムの壁が、内部の冷却剤から外部のシリンダヘッドのバルブガイドに至る熱伝達の障壁として働くので、本発明のバルブの極端に薄い壁断面は、この障壁効果を最小にしている。
【００７５】
排気バルブに内部冷却剤を付加することはよく知られているが、そのような冷却剤を吸気バルブに付加すると、ある種の利用分野においては、フィレット領域に沿っての沈着物がかなり減る、ということが示されている。本発明によるバルブにおける増大した冷却効果によって、そのような沈着物がさらに減る、ということが期待される。
【００７６】
図１３ａ、図１３ｂおよび図１３ｃは、ステムおよびヘッドの直径が同じ、そして長さも同じであるが、相異なる構造を用いている３種のエンジンバルブを示している。
【００７７】
図１３ａは従来技術による中実のバルブを示しており、図１３ｂは、ドリリングされたステムを有する従来技術によるバルブを示しており、図１３ｃは本発明によるバルブを示している。下記の表１は、典型的な乗用車のエンジンバルブのための仕様を比較しており、そこでは、排除容積（すなわち、バルブの外側包囲面で決まる全容積）と、同様な材料の使用を用いた場合の重量のための計算された値を用いている。
【００７８】
【表１】
0003736863.tif 000002
表１に示すように、本発明によるバルブは、同じ寸法の中実のバルブよりも59%軽く、空状態のドリリングされたバルブよりも47%軽い。また、冷却剤、特には50%充填のNaKがバルブに付加された場合であっても、本発明によれば、依然としてかなりの重量上の利点がある。
【００７９】
図１３ｃには、本発明による典型的なバルブを示しているが、そこでは、0.50mmという最小の壁厚さは、図示のバルブだけでの最小であって、絶対的な最小ではないことを示したつもりである。もっと薄い壁断面も、もしバルブの運転温度において蒸発する冷却剤が付加されるのであれば達成され得る。何故ならば、アルミ缶が炭酸飲料を充填されたときに剛性になるのと全く同様に、冷却剤が蒸発した結果としての増大した内部圧力が、バルブの構造に剛性を付加することになるからである。
【００８０】
表２は、図１３ｂの形の、従来技術による一連の実際の吸気／排気バルブの設計と、図１３ｃに示された形の本発明のよる実際の設計についての、内側と外側のステム直径と、全容積つまり排除容積と、キャビティ容積を比較している。
【００８１】
【表２】
0003736863.tif 000003
【００８２】
【発明の効果】
本発明は以上説明したように構成されているので、以下に記載するような効果を奏する。
【００８３】
請求項１から４に記載のものにおいては、チップ部とフィレット部とが一体構造となった中空のステム要素にキャップが溶接されるので、高い強度対重量特性を維持し、かつ、軽量化したバルブを提供することができ、さらに、深絞りされるに十分な延性を有する材料をもステム要素に用いることができるので、使用するバルブの材料の選定範囲を広いものとすることができ、軽量とし、さらに、冷却効果に優れたバルブを実現できるという効果がある。
【００８６】
上記各効果を奏する本発明のバルブは、請求項５から請求項１０に記載したように様々な形態とすることができる。このなかで、請求項８から請求項１０に記載したものにおいては、上記各効果に加え、より一層熱伝達効率を向上したバルブを実現でき、請求項１０に記載したものに、さらに、燃焼側の面の剛性を高めることができるという効果がある。
【００８７】
請求項１１および請求項１２に記載のものにおいては、そのシート面はキャップとステム要素とを組み合せて溶接されるので、より硬いシート面を提供することが可能となる効果がある。
【００８８】
請求項１３ないし請求項１５に記載のものにおいては、バルブのステム要素の壁は極端に薄いものとなっているので、バルブのステム要素の壁が内部の冷却剤から外部のシリンダヘッドのバルブガイドに至る熱伝達の障壁として働く障壁効果を大きく軽減することが可能となるという効果がある。
【００９０】
請求項１６と請求項１７に記載のものにおいては、高い強度対重量特性を維持し、かつ、軽量化したバルブを製造できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は、本発明の一つの形態のバルブの断面図、（ｂ）は、（ａ）のバルブのチップ部の一つの形態を示す部分的断面図である。
【図２】（ａ）は、図１に示されたバルブのキャップ部分の拡大された断面図、（ｂ）〜（ｃ）のそれぞれは、（ａ）に示されたキャップ部分の構成例を示す断面図である。
【図３】（ａ）〜（ｄ）のそれぞれは、図１に示されたバルブのステム部分の製造工程を段階的に示す断面図である。
【図４】ステム部分においてキーパー溝を成形するための方法を示す部分的断面図である。
【図５】図４の５−５矢視の断面図である。
【図６】（ａ）は従来の排気バルブの構造を示す段面図、（ｂ），（ｃ）のそれぞれは、従来の排気バルブの表面における応力と温度の分布を示す図である。
【図７】（ａ）は本発明の排気バルブの構造を示す段面図、（ｂ），（ｃ）のそれぞれは、従来の排気バルブの表面における応力と温度の分布を示す図である。
【図８】本発明の変形例の部分的な断面図である。
【図９】本発明の変形例の上面図である。
【図１０】本発明の他の変形例の実施例の部分的な断面図である。
【図１１】本発明の他の変形例の実施例の部分的な断面図である。
【図１２】本発明の他の変形例の実施例の部分的な断面図である。
【図１３】（ａ）は、従来技術による中実のバルブの断面図、（ｂ）は、従来技術による中空のバルブの断面図、（ｃ）は、（ａ）および（ｂ）とほぼ同じ尺度で示された本発明のバルブの断面図である。
【符号の説明】
１０    ポペットバルブ（全体）
１２    ステム要素
１４    キャップ部材
１６    フィレット領域
１８    チップ
１９    ベベル形の部分
２０    シート面
２２    燃焼側の面
２３    内側面
２４    溶接部
２５    キャップの接続部の面
２６    キーパー  溝
２８    保持具
２９，２９’  リブ
３０    マンドレル
３２，３４    ダイ
３３    高摩擦の面（ダイ３２の）
３５    突起（ダイ３４の）
３８，３９    溶接部
４２    冷却剤のレベル
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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