JP4909269B2 - ヒートパイプを備えた、内燃機関に用いられるクーリングチャンネル付きピストン - Google Patents

Description

本発明は、ヒートパイプを備えた、内燃機関に用いられるクーリングチャンネル（冷却通路）付きピストンであって、鋼から鍛造されたピストンクラウンが設けられており、該ピストンクラウンが、ピストン頂面に設けられた燃焼凹部と、リング部分を備えたリング壁と、リング部分の高さで全周にわたって延びる、カバーによって閉鎖可能な冷却通路とを有しており、該冷却通路に、その全周に分配されて、ピストン頂面に向けられた多数の孔が配置されており、当該クーリングチャンネル付きピストンが、ピストンスカートを有しており、該ピストンスカートが、ピストンクラウンに懸装されたピストンボスに結合されている形式のものに関する。

冒頭で述べた形式の鋼ピストンは、これまで知られていなかった。国際公開第２００４／０２９４４３号パンフレットに基づき、鋼から成るクーリングチャンネル付きピストンしか公知でない。この公知のクーリングチャンネル付きピストンでは、冷却通路が、その全周に分配されて、ピストン頂面に向けられた孔を有していることによって、冷却の改善とピストンの形状安定性とが達成されるようになっている。

米国特許第５４５４３５１号明細書およびドイツ連邦共和国特許出願公開第３２０５１７３号明細書には、内燃機関に用いられる軽金属ピストンが記載されている。こ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クーリングチャンネル付きピストンを改良して、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、液体充填されたヒートパイプが、冷却通路の孔内に配置されており、蒸発側が、孔のピストン頂面側の端部で終わっていて、凝縮側が、閉鎖された冷却通路内で終わっているように配置が行われていることによって解決される。

凝縮側が、閉鎖された冷却通路内で終わっていることによって、特に上死点と下死点との間のピストン位置と無関係の効果的なかつ迅速な熱搬出が、ヒートパイプの凝縮側の端部で達成され、これによって、ほぼ均一な温度分配がピストン凹部縁部に沿って達成される。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につき説明する。

ヒートパイプを備えた本発明による一体型のクーリングチャンネル（冷却通路）付きピストンは、図１に示したように、鋼から成る鍛造されたピストンクラウン１０を有している。このピストンクラウン１０は、そのピストン頂面１に設けられた燃焼凹部２と、リング部分３を備えたリング壁４と、リング部分の高さで全周にわたって延びる閉鎖された冷却通路７とを備えている。ピストンスカートは、国際公開第２００４／０２９４４３号パンフレットに記載された図面に類似して、ピストンクラウンに懸装されたボスに結合されている。鍛造されたピストンの製作は、欧州特許第０７９９３７３号明細書に記載された方法により行われる。この場合、冷却通路７に孔５が設けられている。この孔５は、図５に示した断面図から明らかであるように、燃焼噴流の衝突に相応して、全周に分配されて配置されていて、ピストン頂面の方向に、すなわち、ピストン軸線Ａに対して平行に加工されている。冷却通路の閉鎖は、冷却オイル入口と冷却オイル出口とを備えたカバー８によって行われる。孔５の深さＢ_Ｔは、ピストン頂面１と孔５の頂面側の端部との間に壁ウェブ９が形成されるように設計されている。

図６Ａ）および図６Ｂ）に示したように、いわゆる「熱パイプ」と呼ばれるヒートパイプ６は鋼周壁を有していて、円筒状の下側部分６ｆと、円錐形のまたは円筒状のヘッド部分６ｃとから形成される。このヘッド部分と下側部分とは内部に円筒状の中空室を有している。この中空室は排気されていて、規定された量の冷媒６ｇ、たとえば水で充填されている。この冷媒、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。なぜならば、冷却液がピストンの反転点で反対の側に加速させられ、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からである。有利には、ヒートパイプは最大でその容積の半分まで冷媒で充填される。ヒートパイプ６のヘッド部分６ｃと下側部分６ｆとは、結合面６ｅを介して互いに空気密に結合されている。このように形成されたヒートパイプでは、蒸発側が高温の側として符号６ａで示してあり、凝縮側が符号６ｂで低温の側として示してある。

図２／図３または図４に示した実施例に応じて、ヒートパイプ６の直径はピストン直径（Ｄ_{Ｋｏｌｂｅｎ}）の約３〜１０％であり、全長はＤ_{Ｋｏｌｂｅｎ}の約２０〜５０％である。

図２に示した本発明による第１の実施例によれば、冷媒で充填された図６Ｂ）によるヒートパイプ６が円筒状のヘッド部分で孔５内に挿入されており、これによって、蒸発側６ａが孔５のピストン頂面側の端部で終わっており、凝縮側６ｂが、閉鎖された冷却通路７内で終わっている。したがって、熱流がピストン頂面１から壁ウェブ９と蒸発側６ａの外側の鋼周壁とを介して、この鋼周壁の内側の壁に行われ、熱の吸収下で冷媒を蒸発させる。形成された蒸気部分はヒートパイプ６の凝縮側６ｂに流れる。ここでは、蒸気部分が、蒸発側と凝縮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状の状態に移行する。熱放出は、冷却通路内に位置する冷却オイルに行われ、そこから、シェイカ運動もしくは揺動運動に基づき冷却オイル出口に搬送される。凝縮側６ｂは冷却通路内に配置されているので、そこに位置する冷却オイルへの均一な熱放出が実現される。これによって、ピストンにおける熱的な応力の発生を十分に阻止することができる。

この構成の別の変化形として、円筒状のヘッド部分６ｄとしての、ピストンクラウン１０に加工された孔５の使用が同じく考慮されてもよい。円筒状のヘッド部分６ｄは、孔５の冷却通路側の端部に摩擦溶接結合、螺合または接着結合によって固定されたヒートパイプ下側部分６ｆに結合される。このように製作されたヒートパイプは孔５ひいては蒸発側６ａを形成しており、摩擦溶接された下側部分６ｆは、ヒートパイプの凝縮側６ｂを形成している。

図３に示した第２の実施例では、ヒートパイプ６のヘッド部分６ｃが円錐形に形成されている。冷却通路７にピストン頂面１に向かって加工された孔５は、ピストン頂面にまで一貫した孔として延びている。この孔は、ヒートパイプ６を収容するために、ピストン頂面の領域で同じく円錐形に形成されている。孔５内へのヒートパイプの挿入状態では、蒸発側６ａの上側の底面がピストン頂面自体の一部も形成している。これによって、前述したように、特に効果的に熱搬出が実現される。凝縮側６ｂは、ここでは、同じく冷却通路７の冷却オイル内で終わっている。

蒸発側６ａが同じくピストン頂面１の一部を形成している、図４に示した第３の実施例では、凝縮側６ｂが、円錐形のヘッド部分の使用下でエンジンルームのクランクシャフト側の端部で終わっている。すなわち、ヒートパイプが冷却通路のカバー８を貫いて案内され、そこに配置された１つまたはそれ以上の冷却オイルノズル（図示せず）によってヒートパイプにオイルが吹き付けられる。これによって、燃焼室側で吸収された全熱量が、冷却通路７内に位置する冷却オイルにのみ放出され、これによって、ピストンクラウン１０に残されることはなく、熱量の主割合がピストンクラウン１０から離れる方向に搬送されることが達成される。

ヒートパイプ６とピストンクラウン１０との間の僅かな熱移行抵抗を実現するためには、ヒートパイプ６とピストンクラウン１０とが、有利には同一の鋼材料から成っている。この場合、孔５とヒートパイプの外径とは、このヒートパイプ６がピストンクラウン１０にプレス嵌めまたはろう接結合または溶接結合または摩擦溶接結合によって結合されているように形成されている。

本発明の枠内には、ヒートパイプ６を収容するための孔５が、ピストン軸線Ａに対して平行な経過のほかに、燃焼凹部の構成もしくは燃焼凹部２と冷却通路７との間の肉厚に応じて、ピストン軸線に対して所定の傾きを成して配置されていてもよく（図示せず）、これによって、前述した実施例に相応して、ヒートパイプの蒸発側６ａが壁ウェブ９を形成しているかまたは、燃焼凹部の壁の一部を直接形成していることが位置している。この場合、凝縮側は冷却通路７内で終わっている。

冷却通路を備えたピストンクラウンの半部側の断面図である。 冷却通路と、本発明による第１の配置形式におけるヒートパイプとを備えたピストンクラウンの半部側の断面図である。 冷却通路と、本発明による第２の配置形式におけるヒートパイプとを備えたピストンクラウンの半部側の断面図である。 冷却通路と、本発明による第３の配置形式におけるヒートパイプとを備えたピストンクラウンの半部側の断面図である。 図１に示したＡＡ線に沿った断面図である。 第１の構成におけるヒートパイプの断面図である。 第２の構成におけるヒートパイプの断面図である。

符号の説明

１ ピストン頂面、 ２ 燃焼凹部、 ３ リング部分、 ４ リング壁、 ５ 孔、 ６ ヒートパイプ、 ６ａ 蒸発側、 ６ｂ 凝縮側、 ６ｃ ヘッド部分、 ６ｄ ヘッド部分、 ６ｅ 結合面、 ６ｆ 下側部分、 ６ｇ 冷媒、 ７ 冷却通路、 ８ カバー、 ９ 壁ウェブ、 １０ ピストンクラウン、 Ａ ピストン軸線、 Ｂ_Ｔ 深さ

Claims (7)

1. 内燃機関に用いられるクーリングチャンネル付きピストンであって、鋼から鍛造されたピストンクラウン（１０）が設けられており、該ピストンクラウン（１）が、ピストン頂面（１）に設けられた燃焼凹部（２）と、リング部分（３）を備えたリング壁（４）と、リング部分の高さで全周にわたって延びる、カバー（８）によって閉鎖可能な冷却通路（７）とを有しており、該冷却通路（７）に、その全周に分配されて、ピストン頂面に向けられた多数の孔（５）が配置されており、当該クーリングチャンネル付きピストンが、ピストンスカートを有しており、該ピストンスカートが、ピストンクラウンに懸装されたピストンボスに結合されている形式のものにおいて、
   蒸発側（６ａ）と凝縮側（６ｂ）とを備えた、液体充填されたヒートパイプ（６）が、冷却通路（７）の孔（５）内に配置されており、蒸発側（６ａ）が、孔のピストン頂面側の端部で終わっており、ヒートパイプの凝縮側（６ｂ）が、冷却通路（７）のカバー（８）を貫いて案内されていて、かつヒートパイプの凝縮側（６ｂ）に、エンジンルーム内に配置されたノズルからの冷却オイルが吹き付けられるようになっていることを特徴とする、内燃機関に用いられるクーリングチャンネル付きピストン。
2. 孔（５）が、ピストン頂面（１）の前方で終わる孔深さ（Ｂ_Ｔ）を有しており、これによって、ヒートパイプの蒸発側（６ａ）とピストン頂面（１）との間に、ピストン材料から成る壁ウェブ（９）が存在している、請求項１記載のクーリングチャンネル付きピストン。
3. 孔（５）が、ピストン頂面（１）にまで延びる孔深さ（Ｂ_Ｔ）を有しており、これによって、ヒートパイプ（６）の蒸発側（６ａ）が、ピストン頂面（１）の一部を形成している、請求項１記載のクーリングチャンネル付きピストン。
4. ヒートパイプ（６）が、燃焼噴流の衝突の領域に配置されている、請求項１記載のクーリングチャンネル付きピストン。
5. 孔（５）内に挿入されたヒートパイプ（６）が、ピストンクラウン（１０）に解離不能にろう接結合、溶接結合または接着結合またはプレス嵌めによって結合されている、請求項１記載のクーリングチャンネル付きピストン。
6. ヒートパイプが、円筒状のまたは円錐形のヘッド部分と、円筒状のヒートパイプ下側部分とから成っており、ヘッド部分とヒートパイプ下側部分とが、互いに解離不能に結合されている、請求項１記載のクーリングチャンネル付きピストン。
7. 孔（５）の軸線が、ピストン軸線（Ａ）に対して平行に延びている、請求項１記載のクーリングチャンネル付きピストン。

Images