特許 6088641 中空ポペットバルブ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6088641

(24)【登録日】2017年2月10日

(45)【発行日】2017年3月1日

(54)【発明の名称】中空ポペットバルブ

(51)【国際特許分類】

   F01L 3/14 20060101AFI20170220BHJP

   F01L 3/18 20060101ALI20170220BHJP

【ＦＩ】

   F01L3/14 A

   F01L3/18 Z

【請求項の数】4

【全頁数】20

(21)【出願番号】特願2015-511034(P2015-511034)

(86)(22)【出願日】2013年4月11日

(86)【国際出願番号】JP2013060977

(87)【国際公開番号】WO2014167694

(87)【国際公開日】20141016

【審査請求日】2016年2月2日

(73)【特許権者】

【識別番号】000227157

【氏名又は名称】日鍛バルブ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100087826

【弁理士】

【氏名又は名称】八木 秀人

(74)【代理人】

【識別番号】100139745

【弁理士】

【氏名又は名称】丹波 真也

(74)【代理人】

【識別番号】100166327

【弁理士】

【氏名又は名称】舟瀬 芳孝

(74)【代理人】

【識別番号】100168088

【弁理士】

【氏名又は名称】太田 悠

(72)【発明者】

【氏名】常石 摂

(72)【発明者】

【氏名】一宮 淳恭

【審査官】 櫻田 正紀

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００８−１４２３７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実開平３−５２３０９（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 特開２００６−９７４９９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実開平４−７６９０７（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 実開昭６２−１０２８０６（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 実開平１−１７３３０５（ＪＰ，Ｕ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ０１Ｌ ３／１４

Ｆ０１Ｌ ３／１８

(57)【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、
前記中空部は、前記バルブ傘部内の大径中空部と、該大径中空部の中央部に連通する前記バルブ軸部内の直線状の小径中空部とを備え、
前記大径中空部の底面または天井面に、周方向に向かって傾斜する傾斜面を備えたスワール流形成用の凸部が周方向略等間隔に設けられて、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冷却材に前記バルブの中心軸線周りにスワール流が形成されることを特徴とする中空ポペットバルブ。

【請求項2】

前記大径中空部の底面および天井面には、前記スワール流形成用の凸部がそれぞれ設けられるとともに、前記底面側の凸部の傾斜面の傾斜方向と前記天井面側の凸部の傾斜面の傾斜方向が周方向に対し上下逆向きとなるように構成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】

前記スワール流形成用の凸部は、前記大径中空部の外周面から所定距離離間して設けられて、該スワール流形成用の凸部の外周に大径中空部の外周面に沿った円環状の流路が形成されるとともに、前記凸部の傾斜面が前記流路に向けて傾斜す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るとともに、前記バルブ軸部内に設けた小径中空部が前記円錐台形状の大径中空部の天井面に略直交するように連通して、前記バルブの開閉動作に伴って、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タンブル流が形成される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

【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、ということが分かった。

【0009】

そこで、発明者は、バルブの開閉動作(軸方向の往復動作)の際に冷却材に作用する慣性力を利用して、大径中空部内の冷却材に水平方向の旋回流（以下、水平方向の旋回流をスワール流という）を形成することを思いついた。

【0010】

即ち、バルブの開閉動作(軸方向の往復動作)の際には、中空部内の冷却材は慣性力によって上下方向に移動するが、例えば、スワール流形成用の傾斜面（慣性力によって下方に押圧される冷却材を周方向に案内する傾斜面）を備えた凸部を大径中空部の底面に設ければ、バルブの開閉動作、特に開弁動作に伴って、大径中空部内の冷却材がスワール流形成用の傾斜面に押し付けられて、該傾斜面に沿って周方向に向う流れが発生し、冷却材の下層部にスワール流が形成されて、冷却材が攪拌され、熱引き効果が上がる、と考えた。

【0011】

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、バルブの開閉動作に伴ってバルブ傘部内の大径中空部の冷却材に形成されるスワール流によって、中空部内の冷却材が攪拌されて熱引き効果が改善され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】

【0012】

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、
前記中空部は、前記バルブ傘部内の大径中空部と、該大径中空部の中央部に連通する前記バルブ軸部内の直線状の小径中空部とを備え、
前記大径中空部の底面または天井面に、周方向に向かって傾斜する傾斜面を備えたスワール流形成用の凸部が周方向略等間隔に設けられて、前記バルブの開閉動作に伴って、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スワール流が形成されるように構成した。

【0013】

（作用）バルブの開閉動作(軸方向の往復動作)に伴って、中空部内の冷却材には慣性力が作用することで、冷却材は中空部内を軸方向に移動する。そして、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、図４（ａ）に示すように、中空部内の冷却材（液体）に慣性力が上向きに作用し、冷却材（液体）は大径中空部の天井面に向かって移動し、大径中空部の天井面にスワール流形成用の凸部が設けられている場合は、図３に示すように、冷却材が該凸部の傾斜面に押圧されることで該傾斜面に沿った流れ（傾斜面の傾斜する方向である周方向に向かう流れ）Ｆ３２が発生し、大径中空部内の冷却材の上層部にスワール流Ｆ３０が形成される。

【0014】

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４（ｂ）に示すように、中空部内の冷却材（液体）に慣性力が下向きに作用し、冷却材（液体）は大径中空部の底面に向かって移動し、大径中空部の底面にスワール流形成用の凸部が設けられている場合は、図３に示すように、冷却材が該凸部の傾斜面に押圧されることで該傾斜面に沿った流れ（傾斜面の傾斜する方向である周方向に向かう流れ）Ｆ２２が発生し、大径中空部内の冷却材の下層部にスワール流Ｆ２０が形成される。

【0015】

このように、バルブの開閉動作(軸方向の往復動作)に伴って、大径中空部内の冷却材の上層部または下層部にスワール流が形成されて、大径中空部内の冷却材の少なくとも上層部または下層部が積極的に攪拌されて、大径中空部内の冷却材による熱伝達が活発となる。

【0016】

詳しくは、バルブの開閉動作(軸方向の往復動作)が繰り返されると、中空部内の冷却材は不活性ガスとの混合状態となり、大径中空部内では、バルブの開閉動作に伴って形成されるスワール流によって周方向に回転し、小径中空部内においても大径中空部内の冷却材に引っ張られるように同方向に回転する。そして、大径中空部内の冷却材に作用する遠心力が小径中空部内の冷却材に作用する遠心力よりも大きいため、図２に示すように、相対的に圧力が低下する大径中空部に向って小径中空部内の冷却材が不活性ガスとともに渦Ｆ４０を作りながら引き込まれる。

【0017】

この結果、第１には、小径中空部から大径中空部に冷却材が流入し、中空部内の冷却材の攪拌が促進される。

【0018】

第２には、小径中空部内の冷却材の液面レベル（最上点）が相対的に上昇し、冷却材と小径中空部形成壁との接触面積が増えて、バルブ軸部における熱伝達効率が高められる。

【0019】

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、前記大径中空部の底面および天井面に前記スワール流形成用の凸部をそれぞれ設けるとともに、前記底面側の凸部の傾斜面の傾斜方向と前記天井面側の凸部の傾斜面の傾斜方向が周方向に対し上下逆向きとなるように構成した。

【0020】

(作用) 大径中空部内の冷却材は、バルブの開閉動作に伴って形成されるスワール流によって周方向に回転するが、バルブが下降する際に冷却材の上層部に形成されるスワール流と、バルブが上昇する際に冷却材の下層部に形成されるスワール流の周方向の向きがそれぞれ同じであるため、バルブの開閉動作(軸方向の往復動作)に伴って、大径中空部内の冷却材全体が同方向に積極的に攪拌されて、大径中空部内の冷却材による熱伝達がいっそう活発となる。

【0021】

詳しくは、大径中空部内の冷却材は、バルブの下降動作によって形成されるスワール流によって周方向に回転し、バルブの上昇動作によって形成されるスワール流によって周方向への回転が加速される、即ち、中空部内の冷却材の回転に勢いがあるので、相対的に圧力が低下する大径中空部に向って小径中空部内の冷却材が不活性ガスとともに渦を作りながら確実に引き込まれる。

【0022】

このため、第１には、小径中空部から大径中空部に冷却材が確実に流入し、中空部内の冷却材の攪拌がいっそう促進される。

【0023】

第２には、小径中空部内の冷却材の液面レベル（最上点）が相対的にいっそう上昇し、冷却材と小径中空部形成壁との接触面積がいっそう増えて、バルブ軸部における熱伝達効率がさらに高められる。

【0024】

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、
前記スワール流形成用の凸部を該大径中空部の外周面から所定距離離間するように設けて、該スワール流形成用の凸部の外周に大径中空部の外周面に沿った円環状の流路を形成するとともに、前記凸部の傾斜面が前記流路に向けて傾斜するように構成した。

【0025】

（作用）バルブの開閉動作(軸方向の往復動作)に伴って発生した、スワール流形成用の凸部の傾斜面に沿った流れ（傾斜面の傾斜する方向である周方向に向かう流れ）は、周方向に隣接するスワール流形成用の凸部と干渉することなく、大径中空部の外周面に沿った円環状の流路に導かれて、大径中空部内の冷却材の下層部または上層部に、大径中空部の外周面に沿ったスワール流がスムーズに形成される。

【0026】

なお、大径中空部の底面は、一般には、大径中空部の天井面および外周面を画成する傘部外殻の凹部（の開口側内周面）に接合された円盤形状のキャップで構成されるが、傘部外殻とは別体のキャップに、鍛造，切削，溶接等によってスワール流形成用の凸部を一体化することは、容易である。

【0027】

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略円錐台形状に形成するとともに、前記バルブ軸部内に設けた小径中空部を前記大径中空部の天井面に略直交するように連通して、前記バルブの開閉動作に伴って、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タンブル流が形成されるように構成した。

【0028】

（作用）バルブの開閉動作(軸方向の往復動作)に伴って、中空部内の冷却材は慣性力により中空部内を軸方向に移動するが、大径中空部が略円錐台形状に形成されることで、冷却材の移動によって大径中空部内に圧力差が生じ、大径中空部内の冷却材にタンブル流が形成される。

【0029】

詳しくは、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、図４（ａ）に示すように、直線状の小径中空部内では、冷却材全体が慣性力によってスムーズに上方に移動するが、大径中空部との連通部には庇状の環状段差部１５が形成されているため、連通部の近傍に乱流Ｆ４（図５（ａ）参照）が発生する。一方、大径中空部内では、図４（ａ）に示すように、大径中空部中央寄り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、図５（ａ）に示すように、大径中空部中央寄りから天井面に沿って半径方向外側に向う流れＦ１が発生する。このとき、大径中空部の底面側では、大径中空部中央寄りの冷却材が上方に移動することで、中央寄りの領域が負圧になって、半径方向外側から内側に向かう流れＦ３が発生し、これに伴って、大径中空部のテーパ形状外周面に沿って下方に向かう流れＦ２が発生する。

【0030】

即ち、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外回りの旋回流（以下、外回りのタンブル流という）Ｔ１が形成される。

【0031】

また、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４（ｂ）に示すように、中空部内の冷却材（液体）は慣性力によって下方に移動する。小径中空部内では、バルブが閉弁状態から開弁状態に移行する際に上方に移動した冷却材全体がスムーズに下方に移動するが、大径中空部との連通部において乱流Ｆ５が発生する。一方、大径中空部内では、図４（ｂ）に示すように、大径中空部中央寄り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５（ｂ）に示すように、大径中空部中央寄りから底面に沿って半径方向外側に向かう流れＦ６が発生する。このとき、大径中空部の天井面側では、大径中空部中央寄りの冷却材が下方に移動することで、中央寄りの領域が負圧になって、半径方向外側から内側に向かう流れＦ８が発生し、これに伴って、大径中空部のテーパ形状外周面に沿って上方に向かう流れＦ７が発生する。

【0032】

即ち、大径中空部の冷却材には、矢印Ｆ６→Ｆ７→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旋回流（以下、内回りのタンブル流という）Ｔ２が形成される。

【0033】

このように、バルブの開閉動作に伴って、バルブの大径中空部内の冷却材には、図２，３に示すようなスワール流Ｆ２０，Ｆ３０が形成されることに加えて、図５（ａ），（ｂ）に示すようなタンブル流Ｔ１，Ｔ２も形成されて、冷却材の上層部、中層部、下層部がより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。

【発明の効果】

【0034】

本願発明に係る中空ポペットバルブによれば、バルブの開閉動作(軸方向の往復動作)に伴って、大径中空部内にスワール流が形成されて、大径中空部内の冷却材とともに小径中空部内の冷却材も周方向に回転して攪拌されるので、中空部内の冷却材による熱伝達が活発となって、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】

請求項２に係る中空ポペットバルブによれば、バルブの開閉動作(軸方向の往復動作)に伴って、大径中空部内に勢いのあるスワール流が形成されて、大径中空部内の冷却材ともに小径中空部内の冷却材も周方向に勢いよく回転して攪拌されるので、中空部内の冷却材による熱伝達がいっそう活発となって、バルブの熱引き効果（熱伝導性）がさらに改善されて、エンジンの性能がいっそう向上する。

【0036】

請求項３に係る中空ポペットバルブによれば、大径中空部内の冷却材の下層部または上層部では、大径中空部の外周面に沿ったスワール流がスムーズに形成されて、大径中空部内の冷却材の攪拌が確実に促進されるので、中空部内の冷却材による熱伝達がより活発となって、バルブの熱引き効果（熱伝導性）が確実に改善されて、エンジンの性能が向上する。

【0037】

請求項４に係る中空ポペットバルブによれば、バルブの開閉動作に伴って、大径中空部内の冷却材には、スワール流に加えてタンブル流も形成されるので、中空部内の冷却材全体がより積極的に攪拌されるので、中空部内の冷却材による熱伝達がさらにいっそう活発となって、バルブの熱引き効果（熱伝導性）がさらにいっそう改善されて、エンジンの性能がよりいっそう向上する。

【図面の簡単な説明】

【0038】

【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）同中空ポペットバルブの要部拡大縦断面図、（ｂ）バルブ傘部の水平断面図（図２に示す線II-IIに沿う断面図）である。

【図3】バルブ傘部の拡大分解斜視図で、大径中空部の底面および天井面に設けたスワール流形成用の凸部を示す斜視図である。

【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に作用する慣性力を示す図で、（ａ）はバルブの開弁動作（下降動作）時の冷却材に作用する慣性力を示す断面図、（ｂ）はバルブの閉弁動作（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5】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示す図で、（ａ）はバルブが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）はバルブが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6】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）は傘部寄り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）の開口側内周面にキャップを接合する工程（大径中空部密閉工程）を示す。

【図7】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冷却材装填工程を示し、（ｄ）は傘部外殻の凹部（大径中空部）の開口側内周面にキャップを接合する工程（大径中空部密閉工程）を示す。

【図10】大径中空部の底面側（キャップ裏面側）に設けるスワール流形成用の凸部の他の実施例を示す斜視図である。

【発明を実施するための形態】

【0039】

次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて説明する。

【0040】

図１〜図６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。

【0041】

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。

【0042】

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１，６参照）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における開口側内周面１４ｃに接合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。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。

【0043】

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。

【0044】

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については、一般的な鋼材で構成されている。

【0045】

次に、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にタンブル流（縦方向の旋回流）が形成される構造について説明する。

【0046】

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Ｓ２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。

【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。

【0048】

このように、大径中空部Ｓ１が円錐台形状に形成されたバルブ１０では、後で詳しく説明するが、バルブ１０が開閉動作(軸方向の往復動作)する際に、中空部Ｓ内の冷却材１９は、作用する慣性力によって中空部Ｓ内を軸方向に移動する。そして、大径中空部Ｓ１では、冷却材１９が軸方向に移動することで大径中空部Ｓ１内に圧力差が生じ、大径中空部Ｓ１内の冷却材１９には、図５（ａ），（ｂ）の矢印Ｆ１→Ｆ２→Ｆ３；Ｆ６→Ｆ７→Ｆ８に示すようなタンブル流Ｔ１，Ｔ２が形成され、小径中空部Ｓ２内の冷却材１９には、連通部Ｐの近傍に乱流Ｆ４，Ｆ５が形成される。

【0049】

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に形成されるタンブル流Ｔ１，Ｔ２や乱流Ｆ４．Ｆ５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。

【0050】

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の開閉動作の際に、大径中空部Ｓ１の天井面から外周面１４ｂ２に沿った流れＦ１→Ｆ２や、大径中空部Ｓ１の外周面１４ｂ２から天井面に沿った流れＦ７→Ｆ８の発生がスムーズとなる分、大径中空部Ｓ１内の冷却材１９に形成されるタンブル流Ｔ１，Ｔ２が活発になり、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）が著しく改善されている。

【0051】

次に、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にスワール流（水平方向の旋回流）が形成される構造について説明する。

【0052】

大径中空部Ｓ１の底面を構成するキャップ１８の裏側および大径中空部Ｓ１の天井面（円錐台の上面）である小径中空部Ｓ２の開口周縁部１４ｂ１には、図２，３に示すように、周方向に向って傾斜する傾斜面２２，３２を備えたスワール流形成用の凸部２０，３０が周方向略等間隔にそれぞれ３個づつ隣接して設けられている。

【0053】

即ち、図２，３に示すように、大径中空部Ｓ１の底面中央には、周方向に対し時計回りに傾斜する傾斜面２２を備えたスワール流形成用の凸部２０が設けられ、一方、大径中空部Ｓ１の天井面には、小径中空部Ｓ２との連通部Ｐを取り囲むように、周方向に対し反時計回りに傾斜する傾斜面３２を備えたスワール流形成用の凸部３０が設けられている。
詳しくは、大径中空部Ｓ１の底面中央には、周方向時計回りに進むに従い下方向に傾斜する傾斜面２２が設けられており、冷却材１９が軸方向の下向きに移動した際には、周方向時計回りに回る冷却材１９のスワール流Ｆ２０が形成される。一方、大径中空部Ｓ１の天井面には、周方向時計回りに進むに従い上方向に傾斜する傾斜面３２が設けられており、冷却材１９が軸方向の上向きに移動した際には、周方向時計回りに回る冷却材１９のスワール流Ｆ３０が形成される。換言すれば、凸部２０の傾斜面２２と凸部３０の傾斜面３２の周方向に対する傾斜方向が上下逆向きに形成されている。

【0054】

このように、大径中空部Ｓ１の底面および天井面にスワール流形成用の凸部２０，３０が設けられたバルブ１０では、後で詳しく説明するが、バルブ１０が開閉動作(軸方向の往復動作)する際に、中空部Ｓ内の冷却材１９は、作用する慣性力によって中空部Ｓ内を軸方向に移動する。

【0055】

そして、大径中空部Ｓ１内では、冷却材（液体）１９がスワール流形成用の凸部２０，３０の傾斜面２２，３２に押圧されることで、図２，３に示すように、傾斜面２２，３２に沿った流れＦ２２，Ｆ３２が発生し、これらの流れＦ２２，Ｆ３２が集まって、大径中空部Ｓ１内の冷却材１９の下層部，上層部にスワール流Ｆ２０，Ｆ３０が形成される。この結果、大径中空部Ｓ１内の冷却材１９が周方向に攪拌されて、バルブ１０における熱引き効果（熱伝導性）が大幅に改善される。

【0056】

特に本実施例では、第１には、大径中空部Ｓ１の底面に設けられたスワール流形成用の凸部２０の傾斜面２２と、天井面（円錐台の上面）１４ｂ１に設けられたスワール流形成用の凸部３０の傾斜面３２が、周方向に対し上下逆方向に傾斜するため、大径中空部Ｓ１の冷却材１９の下層部および上層部には、時計回りのスワール流Ｆ２０，Ｆ３０が形成される。

【0057】

このため、大径中空部Ｓ１内の冷却材１９全体が時計回りに攪拌されて、中空部Ｓ内の冷却材１９による熱伝達がいっそう活発化されて、バルブ１０の熱引き効果（熱伝導性）が大幅に改善される。

【0058】

詳しくは、バルブ１０の開閉動作(軸方向の往復動作)が繰り返されると、中空部Ｓ内の冷却材１９は不活性ガスとの混合状態となり、大径中空部Ｓ内では、バルブ１０の開閉動作に伴って形成されるスワール流Ｆ２０，Ｆ３０によって周方向時計回りに回転し、小径中空部Ｓ２内においても大径中空部Ｓ１内の冷却材１９に引っ張られるように周方向時計回りに回転する。特に、大径中空部Ｓ１内の冷却材１９は、バルブ１０の下降動作で形成されるスワール流Ｆ３０による周方向への回転が、バルブ１０の上昇動作で形成されるスワール流Ｆ２０による周方向への回転によって加速されるので、中空部Ｓ内の冷却材１９の回転には勢いがある。そして、大径中空部Ｓ１内の冷却材１９に作用する遠心力が小径中空部Ｓ２内の冷却材１９に作用する遠心力よりも大きいため、図２に示すように、相対的に圧力が低下する大径中空部Ｓ１に向って小径中空部Ｓ２内の冷却材１９が不活性ガスとともに渦Ｆ４０を作りながら引き込まれる。

【0059】

この結果、小径中空部Ｓ２から大径中空部Ｓ１に冷却材１９が流入し、中空部Ｓ内の冷却材１９の攪拌が促進される。

【0060】

また、小径中空部Ｓ２内の冷却材１９の液面レベル（最上点）は、小径中空部Ｓ２内に渦Ｆ４０が形成されて液面中央部が窪むことで相対的に上昇し、冷却材１９と小径中空部Ｓ２形成壁との接触面積が増えて、バルブ軸部１２における熱伝達効率が高められる。

【0061】

第２には、スワール流形成用の凸部２０，３０は、図２，３に示すように、大径中空部Ｓ１の外周面１４ｂ２から所定距離離間して設けられて、大径中空部Ｓ１内の凸部２０，３０の外周には、大径中空部Ｓ１の外周面１４ｂ２に沿った円環状の流路２４，３４がそれぞれ形成されている。そして、各凸部２０，３０は、大径中空部Ｓ１の底面や天井面に対し最も段差のある円弧状の背面壁２０ａ，３０ａ（図２，３参照）から周方向外側に向けて傾斜面２２，３２が延びている。特に、大径中空部Ｓ１の底面側の凸部２０の傾斜面２２は、図２（ｂ）に示すように、隣接する凸部２０の円弧状の背面壁２０ａに沿って凸部２０外側の円環状の流路２４に向けて延びている。

【0062】

このため、バルブ１０が下降する際は、大径中空部Ｓ１内の冷却材１９がスワール流形成用の凸部３０（の傾斜面３２）に押圧されて、傾斜面３２に沿った流れＦ３２が発生するが、この傾斜面３２に沿った流れＦ３２は、下流側に隣接する凸部３０の円弧状の背面壁３０ａ外側寄りに案内されて，主には大径中空部Ｓ１の外周面１４ｂ２に沿った円環状の流路３４に導かれるので、大径中空部Ｓ１の冷却材１９の上層部では、大径中空部Ｓ１の外周面１４ｂ２（円環状の流路３４）に沿ったスワール流Ｆ３０がスムーズに形成される。また、傾斜面３２に沿った流れＦ３２の一部は、円弧状の背面壁３０ａ内側寄りに案内されて、小径中空部Ｓ２との連通部に導かれるので、大径中空部Ｓ１の小径中空部Ｓ２との連通部Ｐにも、スワール流Ｆ３１が形成される。

【0063】

一方、バルブ１０が上昇する際は、大径中空部Ｓ１内の冷却材１９がスワール流形成用の凸部２０（の傾斜面２２）に押圧されて、傾斜面２２に沿った流れＦ２２が発生するが、この傾斜面２２に沿った流れＦ２２は、下流側に隣接する凸部２０の背面壁２０ａに案内されて、大径中空部Ｓ１の外周面１４ｂ２に沿った円環状の流路２４に導かれるので、大径中空部Ｓ１の冷却材１９の下層部では、大径中空部Ｓ１の外周面１４ｂ２（円環状の流路２４）に沿ったスワール流Ｆ２０がスムーズに形成される。

【0064】

このように、大径中空部Ｓ１内におけるスワール流Ｆ２０，Ｆ３０の形成がスムーズである分、大径中空部Ｓ１および小径中空部Ｓ２内の冷却材１９の回転の勢いが強く、小径中空部Ｓ２から大径中空部Ｓ１への冷却材１９の流入も多く、中空部Ｓ内の冷却材１９の攪拌が確実に促進されるとともに、小径中空部Ｓ２内の冷却材１９の液面レベル（最上点）の相対的な上昇も大きくなって、冷却材１９の小径中空部Ｓ２形成壁との接触面積の増加が増えることで、バルブ軸部１２における熱伝達効率が確実に高められる。

【0065】

次に、バルブ１０が開閉動作する際に、小径中空部Ｓ２内の冷却材１９に乱流Ｆ９、Ｆ１０（図５（ａ），（ｂ）参照）が形成される構造について説明する。

【0066】

小径中空部Ｓ２は、内径ｄ１が比較的大きいバルブ軸端部寄りの小径中空部Ｓ２１と、内径ｄ２が比較的小さい（ｄ２＜ｄ１）バルブ傘部１４寄りの小径中空部Ｓ２２で構成されて、小径中空部Ｓ２１，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。

【0067】

このため、バルブ１０が開閉動作する際に、小径中空部Ｓ２内の冷却材１９は、作用する慣性力によって上下方向に移動するが、図５（ａ），（ｂ）に示すように、段差部１７近傍の冷却材１９の移動方向下流側に、乱流Ｆ９，Ｆ１０が発生する。

【0068】

次に、バルブ１０が開閉動作する際の中空部Ｓ内の冷却材１９の動きを、図２，３，４，５に基づいて詳しく説明する。

【0069】

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４（ａ）に示すように、中空部Ｓ１，Ｓ２内の冷却材（液体）１９に慣性力が上向きに作用し、中空部Ｓ１，Ｓ２では冷却材（液体）１９が上方に移動する。

【0070】

しかし、大径中空部Ｓ１の小径中空部Ｓ２との連通部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Ｐが滑らかな形状に形成されている先行文献１，２（従来の中空バルブ）のように、大径中空部Ｓ１内の冷却材１９はスムーズに小径中空部Ｓ２側に移動できない。このため、小径中空部Ｓ２の連通部Ｐの近傍では、図５（ａ）に示すように、乱流Ｆ４が発生する。

【0071】

また、小径中空部Ｓ２内の冷却材１９には、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５（ａ）に示すように、段差部１７の下流側で乱流Ｆ９が発生する。

【0072】

一方、大径中空部Ｓ１内では、図４（ａ）に示すように、大径中空部Ｓ１中央寄りの冷却材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、図５（ａ）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中央寄りから天井面に沿って半径方向外側に向う流れＦ１が発生する。このとき、大径中空部Ｓ１の底面側では、大径中空部Ｓ１中央寄りの冷却材１９が上方に移動することで、中央寄りの領域が負圧になって、半径方向外側から内側に向かう流れＦ３が発生し、これに伴って、大径中空部Ｓ１のテーパ形状外周面１４ｂ２に沿って下方に向かう流れＦ２が発生する。

【0073】

即ち、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の周りに外回りのタンブル流Ｔ１が形成される。

【0074】

また、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３，５（ａ）に示すように、大径中空部Ｓ１の天井面に向かって移動した冷却材（液体）１９が大径中空部Ｓ１の天井面に設けられているスワール流形成用の凸部３０（の傾斜面３２）に押圧されることで該傾斜面３２に沿った流れ（傾斜面３２の傾斜する方向である周方向に向かう流れ）Ｆ３２が発生し、大径中空部Ｓ１内の冷却材１９の上層部にスワール流Ｆ３０が形成される。

【0075】

これにより、大径中空部Ｓ１内の冷却材１９が周方向時計回りに回転し、この回転に引っ張られるように、小径中空部Ｓ２内の冷却材１９も同方向に回転し、冷却材１９に作用する遠心力が大きいため相対的に圧力が低下する大径中空部Ｓ１に向って、図２に示すように、小径中空部Ｓ２内の冷却材１９が不活性ガスとともに渦Ｆ４０を作りながら引き込まれる。

【0076】

また、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Ｓ１，Ｓ２内の冷却材（液体）１９に慣性力が下向きに作用し、中空部Ｓ１，Ｓ２では冷却材（液体）１９が下方に移動する。

【0077】

小径中空部Ｓ２内では、バルブ１０が閉弁状態から開弁状態に移行する際に上方に移動した冷却材１９全体がスムーズに下方に移動するが、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１４寄りの小径中空部Ｓ２２に移動する際に、図５（ｂ）に示すように、段差部１７の下流側で乱流Ｆ１０が発生する。さらに、大径中空部Ｓ１との連通部Ｐにおいても、乱流Ｆ５が発生する。

【0078】

一方、大径中空部Ｓ１内では、図４（ｂ）に示すように、大径中空部Ｓ１中央寄りの冷却材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５（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中央寄りから底面に沿って半径方向外側に向かう流れＦ６が発生する。このとき、大径中空部Ｓ１の天井面側では、大径中空部Ｓ１中央寄りの冷却材１９が下方に移動することで、中央寄りの領域が負圧になって、半径方向外側から内側に向かう流れＦ８が発生し、これに伴って、大径中空部Ｓ１のテーパ形状外周面１４ｂ２に沿って上方に向かう流れＦ７が発生する。

【0079】

即ち、大径中空部Ｓ１の冷却材１９には、矢印Ｆ６→Ｆ７→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Ｔ２が形成される。

【0080】

また、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３，５（ｂ）に示すように、大径中空部Ｓ１の底面に向かって移動した冷却材（液体）１９が大径中空部Ｓ１の底面に設けられているスワール流形成用の凸部２０（の傾斜面２２）に押圧されることで該傾斜面２２に沿った流れ（傾斜面２２の傾斜する方向である周方向に向かう流れ）Ｆ２２が発生し、大径中空部Ｓ１内の冷却材１９の下層部にスワール流Ｆ２０が形成される。

【0081】

これにより、大径中空部Ｓ１内の冷却材１９が周方向時計回りに回転し、この回転に引っ張られるように、小径中空部Ｓ２内の冷却材１９も同方向に回転し、冷却材１９に作用する遠心力が大きいため相対的に圧力が低下する大径中空部Ｓ１に向って、図２に示すように、小径中空部Ｓ２内の冷却材１９が不活性ガスとともに渦Ｆ４０を作りながら引き込まれる。

【0082】

このように、バルブ１０の開閉動作(上下方向の往復動作)に伴って、大径中空部Ｓ１内の冷却材１９には、タンブル流Ｔ２，Ｔ３が形成されるとともに、スワール流Ｆ２０，Ｆ３０も形成されて、大径中空部Ｓ１内の冷却材１９全体が積極的に攪拌されて、中空部Ｓ内の冷却材１９による熱伝達が活発となる。

【0083】

詳しくは、バルブ１０の開閉動作(上下方向の往復動作)に伴って大径中空部Ｓ１に形成されるスワール流Ｆ２０，Ｆ３０によって、大径中空部Ｓ１および小径中空部Ｓ２では、冷却材１９が時計回りに攪拌されるとともに、小径中空部Ｓ２に発生した渦Ｆ４０によって小径中空部Ｓ２から大径中空部Ｓ１に冷却材１９が流入し、さらには、バルブ１０の開閉動作(上下方向の往復動作)に伴って大径中空部Ｓ１の冷却材１９の縦方向外回り（バルブ１０の下降時）の攪拌と縦方向内回り（バルブ上昇時）の攪拌とが交互に繰り返されて、中空部Ｓ内の冷却材１９による熱伝達が活発となる。

【0084】

また、小径中空部Ｓ２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、冷却材１９との接触面積の増加によるバルブ軸部１２における熱伝達効率を高めるとともに、小径中空部Ｓ２１形成壁の薄肉化によるバルブ１０の軽量化が図られている。

【0085】

即ち、小径中空部Ｓ２内の段差部１７は、バルブ１０が開弁(下降)しきった状態（図１の仮想線参照）で、排気通路６内とならない所定位置（バルブ挿通孔３内の上下方向所定位置）にあって、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ないように設定されている。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。

【0086】

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（内径ｄ２を小さく）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らないので、それだけ薄肉に形成することができる。

【0087】

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。

【0088】

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。

【0089】

また、バルブの軸端部材１２ｂは、シェル１１ほどの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。

【0090】

次に、中空ポペットバルブ１０の製造工程を、図６に基づいて説明する。

【0091】

まず、図６（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バルブ中間品であるシェル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るとともに、該底面１４ｂ１には、スワール流形成用の凸部３０が周方向略等間隔に隣接して円環状に形成される。

【0092】

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（の傘部外殻１４ａの凹部１４ｂにスワール流形成用の凸部３０）を鍛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（の凹部１４ｂにスワール流形成用の凸部３０）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。

【0093】

次に、図６（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）。

【0094】

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。

【0095】

次に、図６（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して、小径中空部Ｓ２内の段差部１７を形成する（孔穿設工程）。

【0096】

次に、図６（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）。

【0097】

次に、図６（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）。

【0098】

最後に、図６（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の開口側内周面１４ｃに、スワール流形成用の凸部２０がその裏側に一体化されているキャップ１８を接合（例えば、抵抗接合）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の裏側に凸部２０を一体化するには、鍛造，切削，ロウ付け，溶接等の従来公知の方法で簡単に一体化できる。また、キャップ１８の接合は、抵抗接合に代えて、電子ビーム溶接やレーザー溶接等を採用してもよい。

【0099】

図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。

【0100】

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るとともに、バルブ軸部１２内の直線状の小径中空部Ｓ２が大径中空部Ｓ１の円形の天井面１４ｂ１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、先行特許文献１，２と同様、縦断面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、中空部Ｓ’が構成されている。

【0101】

なお、符号１４ａ’は、大径中空部Ｓ１’に相当する凹部１４ｂ’が設けられた傘部外殻、符号１４ｂ２’は、円錐形状の大径中空部Ｓ１’の外周面を示す。

【0102】

また、前記した第１の実施例の中空ポペットバルブ１０では、大径中空部Ｓ１の底面（キャップ１８の裏側）および天井面にスワール流形成用の凸部２０，３０が設けられているが、この第２の実施例の中空ポペットバルブ１０Ａでは、大径中空部Ｓ１’の底面側（キャップ１８の裏側）だけにスワール流形成用の凸部２０が設けられて、バルブ１０Ａが開弁状態から閉弁状態に移行する際（バルブ１０Ａが上昇する際）に、大径中空部Ｓ１’内の冷却材１９の下層部にバルブの中心軸線Ｌ’周りにスワール流Ｆ２０’が形成されるようになっている。

【0103】

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。

【0104】

即ち、この中空ポペットバルブ１０Ａでは、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(軸方向の往復動作)の際、特にバルブ１０Ａが上昇する際に、大径中空部Ｓ１’内の冷却材１９に、スワール流形成用の凸部２０の傾斜面２２に沿った流れが発生し、この流れがスワール流形成用の凸部２０外側の円環状の流路２４’に集まって、大径中空部Ｓ１’の外周面１４ｂ２’に沿ったスワール流Ｆ２０’を形成し、このスワール流Ｆ２０’が大径中空部Ｓ１’内の冷却材１９の下層部を攪拌し、これによって中空部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。

【0105】

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。

【0106】

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、バルブ軸部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。

【0107】

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。

【0108】

即ち、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１０，１０Ａの開閉動作の際に、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、バルブ１０Ｂの開閉動作の際に、大径中空部Ｓ１内の冷却材１９には、前記した第１の実施例の中空ポペットバルブ１０の場合と同様、バルブの中心軸線Ｌ”周りにタンブル流Ｔ１，Ｔ２(図５参照）に加えてスワール流Ｆ２０，Ｆ３０(図２，３参照）が形成されるとともに、小径中空部Ｓ２’内の冷却材１９には、乱流Ｆ４，Ｆ５および渦Ｆ４０(図５参照）が発生するので、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１０Ｂにおける熱引き効果（熱伝導性）が大幅に改善されている。

【0109】

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１４ｅ’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、バルブの製造工程が簡潔となっている。

【0110】

中空ポペットバルブ１０Ｂを製造するには、まず、図９（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の底面１４ｂ１には、スワール流形成用の凸部３０が周方向略等間隔に隣接して円環状に形成される。

【0111】

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）。

【0112】

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に開口する孔１４ｅ’に冷却材（固体）１９を所定量挿入する（冷却材装填工程）。

【0113】

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の開口側内周面１４ｃに、スワール流形成用の凸部２０がその裏側に一体化されているキャップ１８を接合（例えば、抵抗接合）して、バルブ１０Ｂの中空部Ｓ”（図８参照）を密閉する（中空部密閉工程）。

【0114】

図１０は、バルブ傘部内の大径中空部の底面（キャップ裏面側）に設けるスワール流形成用の凸部の他の実施例を示す斜視図である。

【0115】

前記した第１〜第３の実施例では、大径中空部Ｓ１，Ｓ１’の底面を構成するキャップ１８の裏側に設けるスワール流形成用の凸部２０は、最も段差のある円弧状の背面壁２０ａから周方向に向けて傾斜する傾斜面２２を備えた平面視旋回羽根形状に形成されているが、図１０に示すスワール流形成用の凸部１２０は、最も段差のある背面壁１２０ａから周方向に向けて傾斜する傾斜面１２２を備えた側面視三角形・平面視矩形状で、周方向等間隔４箇所に設けられている。

【0116】

なお、前記した実施例で示すスワール流形成用の凸部２０，１２０，３０は、周方向に向けて傾斜するスワール流形成用の傾斜面２２，３２，１２２を備え、バルブの開閉動作(軸方向の往復動作)に伴って冷却材１９が移動する際にスワール流形成用の傾斜面２２，３２，１２２に押圧されることで、該傾斜面２２，３２，１２２に沿って大径中空部の周方向に向かう冷却材の流れが発生するように構成されているが、スワール流形成用の凸部は、バルブの開閉動作に伴って大径中空部内の冷却材にスワール流を形成できるものであれば、前記した凸部２０，１２０，３０に限定されるものではない。

【符号の説明】

【0117】

２ シリンダヘッド
３ａ バルブガイド
４ 燃焼室
６ 排気通路
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 円錐台形状の凹部
１４ｂ’ 円錐形状の凹部
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（大径中空部の外周面）
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 小径中空部内の段差部
１８ キャップ
１９ 冷却材
２０，３０，１２０ スワール流形成用の凸部
２２，３２，１２２ スワール流形成用の傾斜面
Ｌ，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’ 円錐形状の大径中空部
Ｐ 連通部
Ｓ２，Ｓ２’ 直線状の小径中空部
Ｓ２１ 軸端部寄り小径中空部
Ｓ２２ バルブ傘部寄り小径中空部
Ｆ２０，Ｆ２０’，Ｆ３０，Ｆ３１ スワール流
Ｆ４０ 小径中空部内に発生する渦
Ｔ１，Ｔ２ タンブル流
Ｆ４，Ｆ５ 乱流
Ｆ９，Ｆ１０ 乱流

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】