JPS6045756A - ピストン - Google Patents

ピストン

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Publication number
JPS6045756A
JPS6045756A JP59118981A JP11898184A JPS6045756A JP S6045756 A JPS6045756 A JP S6045756A JP 59118981 A JP59118981 A JP 59118981A JP 11898184 A JP11898184 A JP 11898184A JP S6045756 A JPS6045756 A JP S6045756A
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JP
Japan
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piston
crown
heat pipe
skirt
thrust
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Application number
JP59118981A
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English (en)
Inventor
マール・ロバート・シヨワルター
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Automotive Engine Associates LP
Original Assignee
Automotive Engine Associates LP
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Publication date
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Pending legal-status Critical Current

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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02FCYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F3/00Pistons 
    • F02F3/16Pistons  having cooling means
    • F02F3/18Pistons  having cooling means the means being a liquid or solid coolant, e.g. sodium, in a closed chamber in piston
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01PCOOLING OF MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; COOLING OF INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
    • F01P3/00Liquid cooling
    • F01P3/22Liquid cooling characterised by evaporation and condensation of coolant in closed cycles; characterised by the coolant reaching higher temperatures than normal atmospheric boiling-point
    • F01P2003/2278Heat pipes
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05CINDEXING SCHEME RELATING TO MATERIALS, MATERIAL PROPERTIES OR MATERIAL CHARACTERISTICS FOR MACHINES, ENGINES OR PUMPS OTHER THAN NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES
    • F05C2201/00Metals
    • F05C2201/02Light metals
    • F05C2201/021Aluminium
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05CINDEXING SCHEME RELATING TO MATERIALS, MATERIAL PROPERTIES OR MATERIAL CHARACTERISTICS FOR MACHINES, ENGINES OR PUMPS OTHER THAN NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES
    • F05C2225/00Synthetic polymers, e.g. plastics; Rubber
    • F05C2225/02Rubber

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Pistons, Piston Rings, And Cylinders (AREA)

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 (発明の背狽と目的) アルミニウム含有ピストンの強度と硬度はピストン作動
温度で室温値以下に減少することは周知のところである
。また、ピストンの熱膨張は非常にピストンの形状を変
化させる。これは、効果的な低摩擦軸受としてスカート
を設計するのを極めて困難にしている。本発明の目的は
適当な一定の温度でピストンスカートを作り、ピストン
クラウンの冷却を促進する安価で構造的に確実に熱パイ
プを冷却する特徴を有するピストンを提供することにあ
る。
この熱パイプは2つの目的を持つ。第1に、ピストン組
立体をより一定にして熱変形を制御することを目的とす
る。変形が少なければ発明者及びその共同者が開発する
フルフィルム軸受としてのピストンスカートをより効果
的に設計できる。第2に、この熱パイプピストンの調整
は金JiiKU度の頂点を下げ、それによって材料強度
を上昇させることを目的とする。このことは、現在使用
されているピストンよりも軽量かつ/またはより良い耐
久性をもつ熱パイプピストンの製造を可能にして、エン
ジン性能を改良する。
熱パイプは密閉された管であり、しばしば邪魔な毛管装
置を有し、それ自体の蒸気と平衡の動作液体を含む。非
液化ガスは該管から排除される。
管内の蒸気だけが動作液体自体の蒸気であるから、液体
の界面は管内の圧力に対し常に同時に沸騰および凝縮温
度になる。囲いの内面領域のどの部分も熱パイプ内の他
の場所の液体面よりも冷たい場合には、この冷たい表面
がその上の蒸気を凝縮させるであろう。この凝縮が熱パ
イプ内の蒸気圧を低下させる。joえて、わずかに暖た
かい液体面から蒸気が発生し、凝縮する表面へ小さな圧
力滴下で流体動力学的に蒸気が流れる。この凝縮表面は
、その上で凝縮する蒸謹気潜熱により急速に加熱される
。表面間の熱平衡はこのようにして急速に達成される。
同様に、液体接触面が熱パイプ内の他の領域よりも熱い
場合には、熱い面が液体を蒸発させ、かつ蒸発した液体
の蒸気熱により冷却される。熱パイプの囲い表面が湿っ
ている限り、熱パイプ通路内の熱伝達率は極めて高い。
熱パイプ容量内の熱伝導率が大きいので主として分析目
的から熱パイプは等温容量として分析されることができ
る。
熱パイプ内の極限熱伝達率は温度の関数としてその動作
液体の一蒸気圧にだいたい比例する。熱パイプがその熱
パイプ内の液体すべてが蒸発する地点まで加熱される場
合には、蒸発進行が終るので熱伝達は停止する。従って
、熱パイプは、その最高の作動温度で常にいくらかの蒸
発しない液体がパイプ内にあるように設計されなければ
ならない。
熱パイプを有するピストンを冷却するに必要な熱伝達率
は広範囲の動作液体で可能であり、そのような動作液体
のあるものは要求される温度範囲(200°〜400下
)で過剰大気圧はどでないピーク蒸気圧で作動する。こ
の理由から、適正な動作液体が然パイプに選ばれれば、
薄く、軽い、弾力的な熱バイブ溝道を作ることができる
ピストン用の熱パイプ装置は薄り、軽く、かつ柔軟であ
ることが望ましい。軽量が望ましいのはピストンが高い
惰力(レース用で数千Gの順位)を受けるからである。
柔軟性が望ましいのは熱パイプ通路をピストンの内側に
容易かつ安価に固着できるようにするためである。軽く
て柔軟な熱バイブ構造は高伝導性の弾性のりタイプの薄
い層によりピストンスカートとクラウンの内側に緊締さ
れ、ピストンスカートとクラウンに密接に熱接触できる
。この弾性のりはその弾性層上の熱抵抗を小さくするに
足りるだけの薄さにすることができる。熱バイブ構造と
ピストン4R造との間の弾性接続はひずみ強化による応
力集中を除去(実際は緩衝)し、熱パイプ形状とピスト
ン形状との間の精密な幾何学的一致の要求を解消する。
薄くて軽い熱バイブ構造のために、弾性接着剤の強度は
、熱パイプが受【ノる慣性応力の存在下で適所に熱パイ
プを保持するのに十分である。熱パイプとピストン自体
との間の弾性接着法は同様に安価で多聞の大量生産法に
役立つ。
実用的で安い熱パイプピストンは次のようにして作るこ
とができる。
(発明の具体例) 第1図は熱パイプ付きピストンの中央横断面図を示す。
中空の薄い金属製の熱バイブカプセル1は少量の動作液
体′2(デカン、C1oH22または同様の沸点物質)
を含む。中空熱パイプカプセルは、それが含んでいる蒸
気だ1ノが動作液体の蒸気となるように撤去される。ピ
ストンへの熱伝達はエンジンが動くときにのみ重要であ
る。運転状態−下で、慣性応力は熱パイプの内側の流体
を流すので熱パイプカプセル1の内側に邪魔なものを取
り付ける必要はない。熱パイプカプセル1と動作液体2
との間の容積関係は、あらゆる作動条件下で十分な液体
相の動作流体が熱バイブ蒸発凝縮過程を作動させるまで
残留するように調整されている。これは、通常、液体量
が然パイプ容積の2〜3%であることを必要とする。熱
パイプカプセルは、金属を満した弾性材(例えばシリコ
ンゴム)によりピストン3に弾性的に取りつけられてお
り、この弾性剤は接着材として、およびピストン表面と
熱パイプ面との間の差動膨張および幾何学的不一致の緩
衝剤として働く。金属含有弾性剤は、ピストン面と熱パ
イプカプセルの間の迅速な熱移動を確実にするに足りる
高さの熱伝導を持つ。実験が行なわれており、オウトモ
チイブ エンジン アソシエイツは、シリコンゴム弾性
接着がエンジン内の最高の慣性応力下で熱パイプを保持
するに十分な強度を持つことを確認している。作動中、
燃焼ガスからピストンクラウンへ伝達された熱に金属含
有弾性剤4を介して熱パイプカプセル1の上方面へ伝達
され、そこで動作液体の蒸発により吸収される。蒸気は
非常に小さい圧力変動でピストンスカートの比較的冷た
い表面へ流れ、そこで凝縮し、蒸気潜熱をピストンスカ
ートへ放出する。その結果、熱パイプ1の金属表面はは
ず等温となり、熱を非常に早く伝達するのでこの熱パイ
プを取り付けているピストンは従来技術のピストンの場
合よりもより等温に近くなる。
第1図のピストン設計において大量の熱移送はシリンダ
壁からピストンフロートを分離する油膜から発生する。
このため、ピストンリングを横断する熱伝達負荷は現在
のやり方よりも大幅に小さくなる。ピストンリング上の
熱伝達負荷の減少はオウトモチイブ エンジン アソシ
エイツにより最近開発されたピストンリングの潤滑特性
を改良する。
第2図は熱パイプと具備したピストンの底面図(ピスト
ンクラウン側からよりはピストンスカート側から見た)
図示されたごとく、熱パイプカプセルはピストンピン支
持体間に適合して熱をピストンスカートへ送る。図示し
た設計では、熱パイプはピストンスカートの余弧B−8
のおわりへ1A熱を伝達しない。熱パイプ1にはl直接
に接触しないスカート8,10.116よび12の領域
は直接接触しているスカート13.14.15および1
6の部分と密接に熱接触している部分9゜10.11お
よび12は、熱パイプからの伝導により熱を早急に吸収
し、油層からシリンダ壁への熱伝導を助ける。熱パイプ
1の幾何学形成は、勿論、変化してスカートの広がった
部分と接触する。
第3図は装置に取り付ける前の熱パイプそれ自体の等大
口である。熱パイプは、できれば濃いアルミニウムシー
トで作るべきであり、排除されるべきであり、そして標
準の大組生産される溶接法により密閉されるべきである
。熱パイプカプセルの内側を高い真空状態にする必要は
ないが、熱パイプカプセル1の内側の液化しないガスは
できるだけ沢山除去するのが望ましい。従って、動作流
体(デカンまたは同様の沸点をもつ液体でよい)がそれ
自体気化されない条件下で熱パイプを空にするのが望ま
しい。このことは熱密閉されたポリエチレンチューブ内
にデカンを取り付けることによって調整できるもので、
溶接前の熱パイプの排斥はデカンにより真空ポンプの汚
染を伴なうことなく起きる。ピストン1の初期作動でポ
リエチレンは溶融し、動作液体を自由に機能させるだろ
う。
熱パイプ業界の熟練者はこの熱パイプピストンの多くの
改造が可能であることに気がつくであろう。熱パイプカ
プセルを作るのに使用される材料としては種々の金属お
よびその他の材料がある。
熱パイプ用の動作流体の選択は多様である。熱パが使用
温度で高圧下で作動するものを選択するのが特に望まし
い。熱バイブ容器を軽量に1−るには、低圧下で作動す
る動作流体が望ましい。
熱パイプピストンを使用して、はぼ等温のピストン構造
を設計することができる。そのようなピストンは予測で
きる膨張特性を有し、リング上に非常に低い熱伝達荷重
を作り出す。
面図であって、取付は状態を示す。
第2図は底面からの熱パイプ付ピストンの平面図である
第3図は熱パイプそれ自体の等大の斜視図である。
1・・・熱パイプカプセル 2・・・動作液体3・・・
ピストン 特許出願人 オートモチイブ・エンジン・アソシエイツ FIG、1 FIG、 2 FIG、3

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)通常のシリンダを有する往復ピストンの内燃機関
    に使用されるピストンであって、そこから下方に延びる
    円筒形のスカートを持つクラウン、ピストンピンを受け
    るようにしたピストンの鉛直軸に垂直の該クラウンの下
    にある孔、J3よび該ピストンクラウンから該ピストン
    スカートへ熱を極めて急速に伝達する手段とから成り、
    該スカートが2つのスラスト面を有し1.該スラスト面
    が内方面を有し、該ピストンピンの孔の軸と該シリンダ
    の中心軸との両者に概ね垂直なスラスト力をとるために
    シリンダ壁と連動して軸受としては能し、該クラウン部
    分が該スラスト面の内方面と接続した内方面を有し、 該手段がピストン使用湿度で蒸発し、凝縮する液体で部
    分的に満された薄い柔軟な中空のカプセルを含み、該中
    空カプセルが該ピストンクラウンの内方面と該ピストン
    スカートのスラスト面の内方面に対して緊密に適合する
    形状の表面を有し、そして高い熱伝尋性を持つ薄い弾性
    層により該内方面に接着されており、それにより高伝導
    性をもつ熱伝達通路がピストンクラウンとピストンスカ
    ートのスラスト面との間に形成され、あらゆる作動条件
    でピストン全体に概ね等温の条件を与えるピストン。
  2. (2)上記中空カブヒルを部分的に満す液体が本質的に
    純粋の化合物である特許請求の範囲第1項に記載のピス
    トン。
  3. (3)上記中空カプセルの容積が該カプセルの内部の周
    囲条件下におけるピストン使用温度では液化できないガ
    スを排気する特許請求の範囲第1項に記載のピストン。
JP59118981A 1983-06-09 1984-06-09 ピストン Pending JPS6045756A (ja)

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US502576 1983-06-09
US06/502,576 US4493292A (en) 1983-06-09 1983-06-09 Heat piped piston

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JPS6045756A true JPS6045756A (ja) 1985-03-12

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BR (1) BR8402792A (ja)

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