JP2008509337A - ヒートパイプを備えた軽金属ピストン - Google Patents

Abstract

ヒートパイプを備えた軽金属ピストン（１０）では、蒸発側（６ａ）と凝縮側（６ｂ）とを備えた、液体充填された多数のヒートパイプ（６）において、蒸発側が、短い管区分によって形成されており、該管区分が、頂部厚さ内でピストン頂面に向かって燃焼噴流に方向付けられて配置されていて、該ピストン頂面に対して平行に延びる複合ヒートパイプ（７）によって接続されており、凝縮側（６ｂ）として作用する少なくとも２つの管区分が、複合ヒートパイプ（７）に接続されており、凝縮側の端部（７ａ）に配置された管接続部（８）によって、ヒートパイプ（６）の蒸発側と、複合ヒートパイプと、凝縮側との間の冷却液の、循環する閉じられたプロセス回路が実現されていることによって、ピストン構造が簡略化されると同時に、熱負荷されたピストン領域の、改善された熱導出が、熱的な応力を回避して得られるようになっている。

Description

本発明は、ヒートパイプを備えた軽金属ピストンであって、ピストン頂面に配置された、適切な頂部厚さの燃焼凹部と、リング部分と、ピストンスカートと、ピストンピンを収容するためのピストンボスとが設けられており、さらに、蒸発側と凝縮側とを備えた、液体充填された閉鎖された多数のヒートパイプが設けられており、該ヒートパイプが、周面側でリング部分の近くに分配されて配置されていて、ピストン軸線に対して軸方向に方向付けられている形式のものに関する。

米国特許第５４５４３５１号明細書に基づき、内燃機関に用いられる軽金属ピストンが公知である。この公知の軽金属ピストンは、高温のピストン領域の熱を導出するために、いわゆる「熱パイプ」、すなわちヒートパイプを使用している。このヒートパイプは、空気・圧力密に閉鎖されて、容易に蒸発する冷却液、たとえば有利には水またはアンモニア、グリコールまたはこれに類するものを含んでいる。銅から成るヒートパイプは、クランクシャフト側のピストン底領域に加工された、全周にわたって均等分配された孔内に挿入されているかもしくは鋳造されている。この場合、これらの孔はリング部分の高さにまで延びている。ピストンボスの領域では、ピストン内へのピストンピンの組付けを可能にするために、ヒートパイプが僅かに曲げられて形成されている。ヒートパイプの自体公知の作用形式は、冷却したい領域の熱の吸収による「高温」の側（蒸発側）での、ヒートパイプ内に位置する液体の蒸発にある。形成された蒸気部分はヒートパイプの「低温」の側（凝縮側）に流れる。ここでは、蒸気部分が、高温の側と低温の側との間の温度勾配に基づく蒸発潜熱の放出下で再び液体状態に移行する。低温の側では、内燃機関のクランクシャフトルームからの冷却オイルの吹付けによって、蒸発熱が搬出される。熱のこのような搬出を個々の多数のヒートパイプで保証するためには、全てのヒートパイプへの冷却オイル吹付けが必要となる。この冷却オイル吹付けは、手間のかかる高価なピストン構造に繋がる。

本発明の課題は、冒頭で述べた形式の軽金属ピストンを改良して、ピストン構造が簡略化されると同時に、熱負荷されたピストン領域の、改善された熱導出が得られ、これによって、熱的な応力の発生が阻止されるようにすることである。

この課題は、本発明によれば、蒸発側と凝縮側とを備えた、液体充填された多数のヒートパイプにおいて、蒸発側が、短い管区分によって形成されており、該管区分が、頂部厚さ内でピストン頂面に向かって燃焼噴流に方向付けられて配置されていて、該ピストン頂面に対して平行に延びる複合ヒートパイプによって接続されていることによって解決される。さらに、凝縮側として作用する少なくとも２つの管区分が、複合ヒートパイプに接続されており、凝縮側の端部に配置された、リブ付け部を備えた管接続部によって、ヒートパイプの蒸発側と、複合ヒートパイプと、凝縮側との間の冷却液の、循環する閉じられたプロセス回路が実現されている。

管接続部が、凝縮側の管区分の間に形成されており、これによって、軽金属ピストンの上死点と下死点との間でリブ付け部が、永続的に内燃機関のオイルノズルのクランクシャフト側の冷却オイル噴流で負荷されていることによって、有利には、ヒートパイプの凝縮側の端部での効果的なかつ迅速な熱搬出が達成される。さらに、ピストン頂面に対して平行に延びる複合ヒートパイプは、ピストン凹部縁部に沿った均一な温度分配のために働く。これによって、熱的な応力に基づくピストン頂面および燃焼凹部の凹部縁部での亀裂形成が有効に阻止される。

本発明の有利な構成は、従属請求項の対象である。

以下に、本発明の実施例を図面つき説明する。

図１から明らかであるように、閉じられた冷却回路を成す冷却系２０は、多数の蒸発側６ａと少なくとも２つの凝縮側６ｂとを備えたヒートパイプ６（いわゆる「熱パイプ」）から形成される。蒸発側６ａと凝縮側６ｂとは複合ヒートパイプ７を介して接続されている。ヒートパイプ６ｂの凝縮側の端部６ｃには、外側のリブ付け部９を備えた管接続部８が設けられている。この管接続部８によって、両ヒートパイプ６ｂの凝縮側の端部６ｃが接続されている。熱放出面をさらに増大させるためには、リブ付け部９のほかに、ヒートパイプ６の凝縮側６ｂに付加的なリブ付け部（図示せず）が設けられていてもよい。このリブ付け部は、質量低減のために、同じくアルミニウムから成っている。前述した冷却回路アッセンブリは、有利には銅管から成っているかまたはアルミニウム管から成っていてもよい。冷却回路アッセンブリは、熱キャリヤオイルまたは凍結防止添加剤を含んだ、冷却液としての水で充填されている。冷却系２０の幾何学的な寸法は、アルミニウムピストンへの冷却系２０の使用を、要求される高い構成部材強度の著しい変更なしに許容している。前製造された製品として、冷却アッセンブリは、アルミニウム軽金属ピストン１０を製作するための鋳型内に挿入され、次いで、ピストンが、公知の鋳造法により製作される。アルミニウムと銅との間の類似の膨張係数に基づき、このように製作された軽金属ピストン１０の機関運転中に応力問題は観察されなかった。

冷却系２０の別の製作実施態様では、ヒートパイプ６の蒸発側６ａを含めた複合ヒートパイプ７が、鋳型内に挿入された塩中子によって実現されている。この場合、塩中子に対して使用される３つの支持ケレンのうちの少なくとも２つが、凝縮側のヒートパイプ６ｂのための接続部として働く。塩中子の濯ぎ除去によって、図１および図２により記載した構造体が軽金属ピストン内にヒートパイプ６の凝縮側６ｂおよび管接続部８なしに形成される。このヒートパイプ６の凝縮側６ｂと管接続部８とは、軽金属ピストン１０の仕上げ加工後に複合ヒートパイプ７の相応の開口内に挿入され、次いで、ろう接されるかまたは接着される。冷却系２０の排気と充填とは、凝縮側の端部に加工された孔を介して行われる。この孔は、冷却液の充填後に空気密に閉鎖される。冷却液、特に水は、内燃機関でのピストン運動に基づくキャビテーションを阻止するために、１０^−４〜１０^−５ｂａｒの圧力における真空下での注入前に脱ガスされなければならない。ピストンの反転点では、冷却液が反対の側に加速させられる。この場合、随伴したキャビテーションによる内破するガス泡が生ぜしめられ得る。有利には、冷却系は最大でその容積の半分まで冷却液で充填される。

図２には、本発明による冷却系２０の別の実施例が示してある。この実施例では、２つの別の凝縮側６ｂが冷却系に挿入されている。軽金属ピストン内での周面側への凝縮側６ｂの分配は、それぞれ２つの凝縮側６ｂがスラスト・反スラスト側に配置されているように行われる。矢印方向ＮＢはボス孔の経過を示している。

図１および図２に示した両実施例には、ヒートパイプの蒸発側６ａが、内燃機関による燃焼噴流の衝突の分布に相当するように、複合ヒートパイプ７の全周に分配されて配置されていることが当てはまる。

図３により、軽金属ピストン１０内の冷却系の位置を見ることができる。短い管区分によって形成された蒸発側６ａは頂部厚さ１１内に配置されていて、ピストン頂面１に向かって燃焼噴流に方向付けられている。このピストン頂面１に対して平行に延びる複合ヒートパイプ７は、蒸発側６ａと、凝縮側６ｂとして作用する少なくとも２つの管区分とを接続している。この場合、凝縮側６ｂとして作用する少なくとも２つの管区分は、ピストンスカート４から間隔を置いて配置されている。

ピストン頂面１と、燃焼凹部と、トップランド１２ならびにリング部分３の領域とからの、内燃機関の燃焼噴流によって発生させられた熱の導出は、ヒートパイプの蒸発側６ａと複合ヒートパイプ７との外側の壁を介して内側の壁に行われ、冷却液によって、この冷却液の蒸発下で吸収される。形成された蒸気部分は複合ヒートパイプ７を介してヒートパイプ６の凝縮側６ｂに流れる。ここでは、蒸気部分が、蒸発側６ａと凝縮側６ｂとの間の温度勾配に基づく蒸発潜熱の放出下で再び液体状態に移行する。凝縮側６ｂ、特に管接続部８では、オイルノズル１３による内燃機関のクランクシャフトルームからの冷却オイルの吹付けによって、蒸発熱が搬出される。

これにより、冷却系の構成によって、上死点と下死点との間でのピストンの運動の間、ヒートパイプ６からの蒸発熱の永続的な搬出が保証されている。本発明による冷却系２０を備えた、ＡｌＳｉ合金から成る軽金属ピストンの使用は、ディーゼルエンジンのために特に適している。

軽金属ピストンに設けられた冷却系の本発明による第１の構成を示す図である。 軽金属ピストンに設けられた冷却系の本発明による第２の構成を示す図である。 図１に示した冷却系が組み込まれた軽金属ピストンの斜視図である。

符号の説明

１ ピストン頂面、 ３ リング部分、 ４ ピストンスカート、 ６ ヒートパイプ、 ６ａ 蒸発側、 ６ｂ 凝縮側、 ６ｃ 端部、 ７ 複合ヒートパイプ、 ８ 管接続部、 ９ リブ付け部、 １０ 軽金属ピストン、 １１ 頂部厚さ、 １２ トップランド、 １３ オイルノズル、 ２０ 冷却系、 ＮＢ 矢印方向

Claims (5)

1. ヒートパイプを備えた軽金属ピストン（１０）であって、ピストン頂面（１）に配置された、適切な頂部厚さの燃焼凹部（２）と、リング部分（３）と、ピストンスカート（４）と、ピストンピンを収容するためのピストンボスとが設けられており、さらに、蒸発側（６ａ）と凝縮側（６ｂ）とを備えた、液体充填された閉鎖された多数のヒートパイプ（６）が設けられており、該ヒートパイプ（６）が、周面側でリング部分（３）の近くに分配されて配置されていて、ピストン軸線（Ａ）に対して軸方向に方向付けられている形式のものにおいて、
   −ヒートパイプ（６）の蒸発側（６ａ）が、短い管区分によって形成されており、該管区分が、頂部厚さ（１３）内でピストン頂面（１）に向かって燃焼噴流に方向付けられて配置されていて、該ピストン頂面（１）に対して平行に延びる複合ヒートパイプ（７）によって接続されており、
   −凝縮側（６ｂ）として作用する少なくとも２つの管区分が、複合ヒートパイプ（７）に接続されており、凝縮側の端部（７ａ）に配置された管接続部（８）によって、ヒートパイプ（６）の蒸発側と、複合ヒートパイプと、凝縮側との間の冷却液の、循環する閉じられたプロセス回路が実現されていることを特徴とする、ヒートパイプを備えた軽金属ピストン。
2. 複合ヒートパイプ（６）が、リング部分（３）の高さで凹部縁部とトップランド（１２）との間に配置されている、請求項１記載の軽金属ピストン。
3. 凝縮側で作用する少なくとも２つの管区分（６ｂ）が、スラスト側または反スラスト側にピストンスカート（４）から間隔を置いて配置されている、請求項１または２記載の軽金属ピストン。
4. 凝縮側の端部（６ｂ）に配置された管接続部（８）が、リブ付け部（９）による熱放出面の増大部を有している、請求項３記載の軽金属ピストン。
5. 管接続部（８）が、管区分（６ｂ）の間に形成されており、これによって、当該軽金属ピストンの上死点（ＯＴ）と下死点（ＵＴ）との間でリブ付け部（９）が、永続的に内燃機関のオイルノズル（１３）のクランクシャフト側の冷却オイル噴流（１４）で負荷されている、請求項４記載の軽金属ピストン。

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