KR100408136B1 - Liquid cooling piston of reciprocating piston internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
본 발명은 왕복피스톤내연기관의 액체냉각피스톤에 관한 것으로, 액체냉각피스톤은 피드라인(30,31,32)과 분사노즐(18)을 통하여 냉각체임버(15)내로 도입되는 냉매를 위한 귀환류채널(6)을 갖춘 냉각체임버(15)를 가진다. 귀환류채널(6)은 피스톤로드(5)내에서 연장되고, 배출튜브(10)는 귀환류채널내에 배설되고, 피스톤측에서 피스톤의 냉각체임버(15)내로 돌출되고, 피스톤로드(5)내에서 귀환류채널(6)의 일부분에만 연장되는 것을 특징으로 한다. 귀환류채널(6)내에서 연장되는 배출튜브(10)는 피스톤로드(5)내에서 종결되고, 귀환류채널(6)과 분리된 주위 공기와 연결되지 않는다. 귀환류채널(6)의 가스가 배출튜브(10)로의 액세스, 배출튜브를 통하여 냉각체임버(15)로의 액세스를 가지도록 배출튜브(10)가 귀환류채널(6)에서의 냉매의 흐름 프로파일에 영향을 주고, 따라서 귀환류채널(6)에서의 냉매의 유출을 방지하는 냉각체임버(15)내의 압력저하를 회피한다. 배출튜브(10)는 냉각체임버(15)를 통하는 냉매스루풋을 최적화하는 작용을 한다.The present invention relates to a liquid cooling piston of a reciprocating piston internal combustion engine wherein the liquid cooling piston is connected to a return flow channel for the refrigerant introduced into the cooling chamber (15) through the feed lines (30, 31, 32) And a cooling chamber 15 having a cooling chamber 6. The return flow channel 6 extends in the piston rod 5 and the discharge tube 10 is disposed in the return flow channel and protrudes into the cooling chamber 15 of the piston at the piston side, (6) of the return flow channel (6). The exhaust tube 10 extending in the return flow channel 6 is terminated in the piston rod 5 and is not connected to the separated ambient air from the return flow channel 6. [ The exhaust tube 10 is connected to the flow profile of the refrigerant in the return flow channel 6 so that the gas of the return flow channel 6 has access to the exhaustion tube 10 and access to the cooling chamber 15 through the exhaust tube. Thereby avoiding a pressure drop in the cooling chamber 15 which prevents the refrigerant from flowing out in the return flow channel 6. [ The exhaust tube 10 serves to optimize the refrigerant throughput through the cooling chamber 15.
Description
본 발명은 특허청구의 범위 제1항의 전제부에 따른 왕복피스톤내연기관의 액체냉각피스톤에 관한 것이다.The present invention relates to a liquid cooling piston of a reciprocating piston internal combustion engine according to the preamble of claim 1.
내연기관에 있어서, 피스톤 상부에서의 재료의 손실은 본질적으로 온도에 의존한다. 현재의 왕복피스톤내연기관에 있어서, 피스톤의 냉각은 기계의 파워를 제한하는 요인중 하나이다. 따라서, 파워 및 신뢰성에 있어서 가장 높은 요구조건을 만족시키는 왕복피스톤내연기관에 대한 피스톤의 냉각시스템의 효율은 본질적으로 중요한 것이다.In an internal combustion engine, the loss of material at the top of the piston is essentially temperature dependent. In the current reciprocating piston internal combustion engine, cooling of the piston is one of the factors limiting the power of the machine. Therefore, the efficiency of the cooling system of the piston for a reciprocating piston internal combustion engine that meets the highest requirements for power and reliability is of primary importance.
특허청구의 범위 제1항의 전제부에 따른 피스톤은 일본국 실공평4(1992)-39384호에 개시(開示)되어 있다. 연소체임버에 인접하는 피스톤의 끝면 근방에서 피스톤의 상부에 냉각체임버가 형성되고, 오일이 냉매로서 분사노즐에 의하여 냉각체임버내로 분사됨으로써 피스톤이 냉각된다. 분사된 오일은 냉각체임버로부터 귀환류채널을 통하여 배출되고, 귀환류채널은 피스톤로드의 내부에서 그 전체 길이에 걸쳐서 연장되고, 냉각체임버로부터 반대쪽의 피스톤로드의 단부에서 피스톤로드에 연결된 크로스헤드내에서 연장되는 별도의 오일유출라인으로 개구된다. 오일의 귀환류는 냉각체임버에서 모인 오일에 미치는 중력의 작용에 의하여 구동되고, 즉 귀환류채널에서 헤드의 역할로서, 피스톤로드가 통상적으로는 수직으로 냉각체임버의 아래에 배열된다. 냉각체임버로부터의 오일의 방출은 냉각체임버와 엔진의 공기와를 연결시키는 배출튜브에 의하여 공기를 냉각체임버내로 공급함으로써 이루어진다. 이 구성에 있어서, 배출튜브는 오일귀환류채널의 내부에 배설되고, 그 단부중 하나가 냉각체임버내로 돌출되고, 냉각체임버로부터 반대쪽의 단부에서 크로스헤드의 오일유출라인과 분리되어 연장되는 오일라인내로 들어가서 주위 공기와의 연결이 이루어진다.The piston according to the premise of claim 1 is disclosed in Japanese Utility Model Publication No. 4 (1992) -39384. A cooling chamber is formed on an upper portion of the piston near the end face of the piston adjacent to the combustion chamber and the piston is cooled by injecting oil into the cooling chamber by the injection nozzle as refrigerant. The injected oil is discharged from the cooling chamber through the return flow channel, the return flow channel extends over its entire length inside the piston rod, and in the crosshead connected to the piston rod at the end of the opposite piston rod from the cooling chamber To an extended separate oil outlet line. The return stream of the oil is driven by the action of gravity on the oil collected in the cooling chamber, i.e. the role of the head in the return flow channel, the piston rod is normally arranged vertically below the cooling chamber. The release of oil from the cooling chamber is effected by supplying air into the cooling chamber by means of a discharge tube connecting the cooling chamber and the air of the engine. In this configuration, the discharge tube is disposed inside the oil return flow channel, one of the ends of which protrudes into the cooling chamber, and into the oil line extending from the cooling chamber at the opposite end thereof separately from the oil discharge line of the crosshead There is a connection to the surrounding air.
이 구성은 피스톤을 냉각시키는 최대 냉매스루풋이 지나치게 제한되어, 현재의 내연기관을 보다 높은 파워로 개발하는데 있어서 제한으로 되는 것으로 알려졌다.This configuration is known to limit the maximum refrigerant throughput that cools the pistons to be too restrictive in developing current internal combustion engines at higher power.
본 발명의 목적은 냉각작용이 향상된 냉각시스템을 갖춘 왕복피스톤내연기관의 액체냉각피스톤을 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a liquid cooling piston of a reciprocating piston internal combustion engine having a cooling system with improved cooling action.
상기 목적은 본 발명에 따른 특허청구의 범위 제1항의 특징을 가지는 장치에 의하여 달성된다. 그 밖의 청구항은 본 발명의 더욱 유리한 구성에 관한 것이다.This object is achieved by an apparatus having the features of claim 1 according to the invention. Other claims relate to a more advantageous configuration of the present invention.
본 발명에 따른 제1 특징으로서, 액체냉각피스톤은 냉각체임버내로 도입되는 냉매를 위한 귀환류채널을 갖춘 냉각체임버를 가지고, 귀환류채널은 피스톤로드내에서 연장되고, 배출튜브는 귀환류채널내에 배설되고, 피스톤 단부에서 피스톤의 냉각체임버내로 돌출되고, 피스톤로드내에서 귀환류채널의 일부분에만 연장되는 것을 특징으로 한다. 귀환류채널내에서 연장되는 배출튜브는 피스톤로드내에서 종결되고, 즉 크로스헤드내로 개구되지 않고, 귀환류채널과 분리된 주위 공기와 연결되지 않는다. 귀환류채널의 가스가 배출튜브로의 액세스, 배출튜브를 통하여 냉각체임버로의 액세스를 가지도록 배출튜브가 귀환류채널에서의 냉매의 흐름프로파일에 영향을 주고, 따라서 귀환류채널에서의 냉매의 유출을 방지하는 냉각체임버내의 압력저하를 회피한다. 본 발명의 피스톤은 냉매시스템에 의하여 높은 냉매스루풋이 가능하고, 설계가 간단하다는 이점이 있다.In a first aspect according to the present invention, the liquid cooling piston has a cooling chamber with a return flow channel for the refrigerant introduced into the cooling chamber, the return flow channel extending in the piston rod, the discharge tube being disposed in the return flow channel And protrudes into the cooling chamber of the piston at the end of the piston and extends only in a part of the return flow channel in the piston rod. The exhaust tube extending in the return flow channel terminates in the piston rod, i.e. it is not open into the crosshead and is not connected to the ambient air separated from the return flow channel. The exhaust tube influences the flow profile of the refrigerant in the return flow channel so that the gas of the return flow channel has access to the exhaust tube and access to the cooling chamber through the exhaust tube and thus the outflow of refrigerant in the return flow channel Thereby preventing pressure drop in the cooling chamber. The piston of the present invention is advantageous in that a high refrigerant throughput can be achieved by the refrigerant system, and the design is simple.
본 발명의 제2 특징에 따르면, 귀환류채널내에서 연장되는 배출튜브의 길이는 귀환류채널의 길이의 10%~90%의 범위, 더 바람직하게는 귀환류채널의 길이의 15%~50%의 범위인 것이 바람직하다.According to a second aspect of the present invention, the length of the exhaust tube extending in the return flow channel is in the range of 10% to 90% of the length of the return flow channel, more preferably 15% to 50% .
본 발명의 제3 특징에 따르면, 배출튜브의 단면적은 귀환류채널의 단면적의 20%~70%, 더 바람직하게는 귀환류채널의 단면적의 25%~60%인 것이 바람직하다.According to the third aspect of the present invention, it is preferable that the cross sectional area of the discharge tube is 20% to 70% of the cross sectional area of the return flow channel, more preferably 25% to 60% of the cross sectional area of the return flow channel.
본 발명의 제4 특징에 따르면, 냉각체임버의 벽으로부터 배출튜브의 냉각체임버 끝부까지의 간격은 배출튜브의 길이방향으로 냉각체임버의 높이의 10%~90%, 더 바람직하게는 배출튜브의 길이방향으로 냉각체임버의 높이의 15%~65%인 것이 바람직하다. 이때, 배출튜브는 제 3 특징에 따른 단면적을 가질 수 있다.According to a fourth aspect of the present invention, the distance from the wall of the cooling chamber to the end of the cooling chamber of the discharge tube is between 10% and 90% of the height of the cooling chamber in the longitudinal direction of the discharge tube, Is preferably 15% to 65% of the height of the cooling chamber. At this time, the discharge tube may have a cross-sectional area according to the third aspect.
본 발명의 제5 특징에 따르면, 귀환류채널은 냉각체임버내로 열린 개구의 단면이 냉각체임버로부터 떨어지는 방향으로 좁아지도록 설계되어 있는 것이 바람직하다. 이 때, 배출튜브는 제3 특징에 따른 단면적을 갖고, 냉각체임버의 벽과 끝부 사이의 간격은 제4 특징에 따른 것일 수 있다.According to a fifth aspect of the present invention, it is preferable that the return flow channel is designed so that the cross section of the open opening into the cooling chamber narrows in a direction away from the cooling chamber. At this time, the discharge tube has a cross-sectional area according to the third aspect, and the distance between the wall and the end of the cooling chamber may be according to the fourth aspect.
본 발명의 제6 특징에 따르면, 배출튜브는 귀환류채널과 동심으로 배치되는 것이 바람직하다. 이 때, 배출튜브는 제3 특징에 따른 단면적을 갖고, 냉각체임버의 벽과 끝부 사이의 간격은 제4 특징에 따른 것일 수 있고, 개구의 단면의 형태는 제5 특징에 따른 것일 수 있다.According to a sixth aspect of the present invention, the discharge tube is preferably disposed concentrically with the return flow channel. At this time, the discharge tube has a cross-sectional area according to the third aspect, and the distance between the wall and the end of the cooling chamber may be according to the fourth aspect, and the shape of the cross-section of the opening may be according to the fifth aspect.
본 발명의 제7 특징에 따르면, 냉매를 냉각체임버내로 분사하기 위한 분사시스템을 포함하는 것이 바람직하다. 이 경우, 배출튜브는 제3 특징에 따른 단면적을 갖고, 냉각체임버의 벽과 끝부 사이의 간격은 제4 특징에 따른 것일 수 있고, 개구의 단면의 형태는 제5 특징에 따른 것일 수 있다. 또한, 제6 특징에 따라 배출튜브는 귀환류 채널과 동심으로 배치될 수 있다.According to a seventh aspect of the present invention, it is preferable to include a jetting system for jetting the refrigerant into the cooling chamber. In this case, the discharge tube has a cross-sectional area according to the third aspect, and the distance between the wall and the end of the cooling chamber may be according to the fourth aspect, and the shape of the cross-section of the opening may be according to the fifth aspect. According to a sixth aspect, the discharge tube may be disposed concentrically with the return flow channel.
본 발명의 제8 특징에 따르면, 냉각체임버는 1개 이상의 냉각구멍을 가지는 것이 바람직하다. 이 경우, 배출튜브는 제3 특징에 따른 단면적을 갖고, 냉각체임버의 벽과 끝부 사이의 간격은 제4 특징에 따른 것일 수 있고, 개구의 단면의 형태는 제5 특징에 따른 것일 수 있다. 또한, 제6 특징에 따라 배출튜브는 귀환류 채널과 동심으로 배치될 수 있다. 또한, 제7 특징에 따라 분사시스템이 포함될 수 있다.According to an eighth aspect of the present invention, it is preferable that the cooling chamber has at least one cooling hole. In this case, the discharge tube has a cross-sectional area according to the third aspect, and the distance between the wall and the end of the cooling chamber may be according to the fourth aspect, and the shape of the cross-section of the opening may be according to the fifth aspect. According to a sixth aspect, the discharge tube may be disposed concentrically with the return flow channel. In addition, the injection system may be included according to the seventh aspect.
본 발명의 제9 특징에 따르면, 분사시스템은 냉각구멍내로 및 또는 냉각 체임버의 벽으로 냉매를 분사하기 위한 1개 이상의 노즐을 가지는 것이 바람직하다. 이 경우, 제7 특징 및 제8 특징 각각에 따른 제9 특징의 피스톤 구성이 가능하다.According to a ninth aspect of the present invention, it is preferable that the injection system has at least one nozzle for injecting the refrigerant into the cooling hole and / or the wall of the cooling chamber. In this case, the piston structure of the ninth feature according to each of the seventh and eighth aspects is possible.
본 발명의 제10 특징으로서, 제1 특징 내지 제9 특징의 각각에 따른 피스톤을 갖는 내연기관이 제공될 수 있다.As a tenth aspect of the present invention, an internal combustion engine having a piston according to each of the first to ninth aspects may be provided.
다음에, 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.Next, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
제1도는 본 발명에 따른 피스톤의 실시예를 나타낸다. 피스톤의 필수 구성요소는 내연기관의 연소공간과 면하는 피스톤상면(25)을 갖춘 피스톤의 상부(1)와, 분사플레이트(4)와, 피스톤스커트(3)이다. 피스톤은 축(50)에 대하여 회전대칭이다. 피스톤의 상부(1)와 분사플레이트(4)는 함께 피스톤의 냉각체임버(15)를 형성한다. 피스톤의 상부(1)와 피스톤스커트(3)와 또한 분사플레이트(4)는 이들의 주위면이 피스톤로드(5)에 연결된다. 피스톤의 상부(1)는 냉각체임버로부터 피스톤표면(25)을 향하여 피스톤의 외측으로 향하는 끝이 막힌 냉각구멍(17)을 포함한다. 피스톤로드는 피스톤의 반대쪽 단부에서 크로스헤드(8)에 연결된다.Figure 1 shows an embodiment of a piston according to the invention. The essential components of the piston are the upper part 1 of the piston, the injection plate 4 and the piston skirt 3 with the piston top surface 25 facing the combustion space of the internal combustion engine. The piston is rotationally symmetric with respect to the axis (50). The upper part 1 of the piston and the injection plate 4 together form a cooling chamber 15 of the piston. The upper part 1 of the piston, the piston skirt 3 and also the injection plate 4 are connected to the piston rod 5 with their peripheral surfaces. The top portion 1 of the piston includes a cooling hole 17 with the end of the piston facing away from the cooling chamber toward the piston surface 25. The piston rod is connected to the crosshead (8) at the opposite end of the piston.
내연기관의 동작에 있어서, 피스톤로드(5) 위에 배열된 피스톤상부(1)와 함께 지표면에 대하여 대략 수직으로 연장되는 축(50)에 따라서 피스톤이 이동한다.In operation of the internal combustion engine, the piston moves along an axis 50 extending generally perpendicular to the surface of the earth with the piston top 1 arranged on the piston rod 5.
냉각체임버는 냉매순환로의 일부이다. 냉매, 예를 들면 오일 또는 물은 분사시스템에 의하여 냉각체임버로 보낸다. 크로스헤드측에서 피스톤로드(5)를 통하여 연장되는 라인(30)으로 그리고 그 곳으로부터 링형 단면프로 파일을 갖춘 채널(31)를 통하여 분사플레이트(4)와 피스톤로드(5) 사이의 공동(32)을 통하여 분사플레이트(4)를 통과하여 나온 복수의 노즐(18)을 통하여 냉매가 이송된다. 상기 라인(30), 채널(31), 공동(32) 및 노즐(18)은 분사시스템을 구성한다. 분사된 냉매가 피스톤표면(25)에 특히 가깝게 있고, 내연기관의 동작에 있어서 열적으로 부하가 가장 강하게 걸리는 피스톤의 상부의 영역에 충돌하도록 노즐(18)을 배설하는 것이 바람직하다. 특히 양호한 냉각작용은 분사냉각, 즉 냉각구멍(17)의 벽에 대하여, 또는 냉각체임버(15)의 벽에 대하여 냉매를 분사함으로써 달성된다.The cooling chamber is part of the refrigerant circulation path. The refrigerant, for example oil or water, is sent to the cooling chamber by the injection system. And the piston rod 5 from the crosshead side to the line 30 extending through the piston rod 5 and from there through the channel 31 with the ring profile Through the plurality of nozzles 18 that have passed through the spray plate 4. The line 30, the channel 31, the cavity 32 and the nozzle 18 constitute an injection system. It is desirable to dispense the nozzle 18 so that the injected refrigerant is particularly close to the piston surface 25 and impinges on the area of the top of the piston which is thermally loaded most strongly in the operation of the internal combustion engine. Particularly good cooling action is achieved by spray cooling, that is to say against the wall of the cooling hole 17, or by spraying the coolant against the wall of the cooling chamber 15.
분사는 2가지 기능을 가지고 있다. 한편, 그 온도가 냉매순환로의 유입 온도에 상당하고, 분사에 의한 난류(亂流)를 나타내는 냉매가 냉각될 표면과 접촉하게 된다. 이 방법으로 냉각될 표면과 냉매와의 사이의 열전달이 최적화된다. 또한, 경계면에 대한 냉매의 분사는 주로 세정작용과 관련이 있다. 냉각유는 예를 들면 동작중에 도달한 피스톤온도에서 경계면에 고착되는 잔류물을 쉽게 형성하며, 잔류물은 주로 경계면과 냉매 사이의 열전달의 열화를 가져오므로, 더욱 온도의 증가를 촉진하여, 오일잔류물의 퇴적을 가속시킨다. 냉각구멍(17)내의 퇴적물은 특히 불리하다. 퇴적물을 제거하기 위해서는 복잡하고 값비싼 서비스작업이 필요하게 된다. 대조적으로, 냉각될 경계면에 대한 냉매의 분사는 잔류물의 퇴적을 방해한다.Spraying has two functions. On the other hand, the temperature corresponds to the inflow temperature of the refrigerant circulation path, and the refrigerant exhibiting turbulent flow due to injection comes into contact with the surface to be cooled. In this way, the heat transfer between the surface to be cooled and the refrigerant is optimized. Also, the injection of refrigerant to the interface is mainly related to the cleaning action. The coolant oil easily forms residues adhering to the interface at the piston temperature reached during operation, for example, and the residues mainly lead to deterioration of heat transfer between the interface and the coolant, thereby further promoting an increase in temperature, Thereby accelerating the deposition of the residue. The deposits in the cooling holes 17 are particularly disadvantageous. Removing sediments requires complex and costly service work. In contrast, the injection of refrigerant to the interface to be cooled interferes with the deposition of the residue.
귀환류채널(6)은 체임버의 밖으로 냉매를 유출하기 위하여 배설된다. 그것은 피스톤로드의 중심축(50)에 따라서 안내되는 것이 바람직하고, 분사 플레이트(4)의 개구(21)와 냉각체임버(15)로 개구되고, 크로스헤드측에서 냉매순환로의 귀환라인과 연결된다. 귀환류채널로의 냉매의 유입을 최적화하기 위하여, 분사플레이트(4)는 냉각체임버측에서 개구(21)를 향하여 경사를 가진다. 또한, 귀환류채널(6)은 냉각체임버(15)내로 열린 개구(21)의 단면이 냉각체임버로부터 떨어지는 방향으로 좁아지도록 설계되어 있다. 제조를 간단화하기 위하여 귀환류채널(6)의 단면의 프로파일은 원형이 바람직하다. 그러나, 그 기능은 기본적으로 어떠한 단면 프로파일에 대해서도 보장된다.The return flow channel (6) is disposed to discharge the refrigerant out of the chamber. It is preferably guided along the central axis 50 of the piston rod and opens to the opening 21 of the injection plate 4 and the cooling chamber 15 and is connected to the return line of the refrigerant circuit from the crosshead side. In order to optimize the inflow of the refrigerant into the return flow channel, the injection plate 4 has an inclination toward the opening 21 from the cooling chamber side. In addition, the return flow channel 6 is designed so that the cross section of the opening 21 opened into the cooling chamber 15 narrows in a direction away from the cooling chamber. In order to simplify the production, the profile of the cross section of the return flow channel 6 is preferably circular. However, the function is basically guaranteed for any cross-sectional profile.
본질적으로 2가지 냉각효과는 냉각체임버(15)에서의 냉매의 냉각작용에 기여한다. 하나의 냉각효과는 노즐(18)로부터 냉각될 표면에 직접 분사되는 냉매에 의한 분사냉각이다. 다른 냉각효과로서, 스플래시냉각은 내연기관의 동작중에 냉각체임버(15)에서 분사후 수집되어 피스톤운동의 방향의 전후에서 스플래시되는 냉매에 의하여 이루어진다. 냉각작용을 최적화하기 위하여 냉각체임버(15)를 통과하는 냉매의 양은 한편으로는 가능한 한 많아야 한다. 한편, 냉각될 표면과 냉매 사이의 열전달은 가능한 한 양호해야 한다. 냉각체임버(15)내에서 냉매가 과잉이면 냉각작용을 감소시킨다. 예를 들면 분사노즐(18)이 냉매로 덮힌 경우에, 냉매는 감소된 효율로 분사되고, 분사 또는 스프레이냉각의 작용이 감소된다. 또한, 냉각체임버(15)가 과잉 비율의 냉매로 충전된 경우에는 스플래시냉각의 작용이 감소되는 것으로 알려져 있다. 한편, 스플래시냉각은 최소량의 냉매가 냉각체임버(15)에 모인 경우에만 가능하다. 냉각체임버(15)를 통하여 흐르는 냉매의 냉각을 최적화하기 위하여 냉각체임버(15)의 용적의 일부를 충전하는 냉매의 양은 소정의 상한치 보다 크지 않고 소정의 하한치 보다 작지 않도록 설계된다. 따라서, 이러한 조건하에서 냉각체임버(15)로 분사하여 이상적인 냉각작용을 달성할 수 있는 냉매의 최대량은 단위시간 당 냉각체임버(15)로부터 흘러나올 수 있는 냉매의 양에 의하여 제한된다.Essentially, the two cooling effects contribute to the cooling action of the refrigerant in the cooling chamber 15. One cooling effect is spray cooling from the nozzle 18 with a refrigerant that is sprayed directly onto the surface to be cooled. As another cooling effect, the splash cooling is achieved by the refrigerant that is collected after the splash in the cooling chamber 15 during operation of the internal combustion engine and splashed before and after the direction of the piston movement. To optimize the cooling action, the amount of refrigerant passing through the cooling chamber 15 should on the one hand be as high as possible. On the other hand, the heat transfer between the surface to be cooled and the refrigerant should be as good as possible. If the refrigerant is excessive in the cooling chamber 15, the cooling action is reduced. For example, when the injection nozzle 18 is covered with refrigerant, the refrigerant is injected at a reduced efficiency, and the action of injection or spray cooling is reduced. It is also known that when the cooling chamber 15 is filled with excess refrigerant, the action of splash cooling is reduced. On the other hand, splash cooling is possible only when a minimum amount of refrigerant is collected in the cooling chamber 15. In order to optimize the cooling of the refrigerant flowing through the cooling chamber 15, the amount of the refrigerant filling a part of the volume of the cooling chamber 15 is designed not to be larger than the predetermined upper limit value but smaller than the predetermined lower limit value. Therefore, the maximum amount of refrigerant that can be injected into the cooling chamber 15 under these conditions to achieve an ideal cooling action is limited by the amount of refrigerant that can flow out of the cooling chamber 15 per unit time.
귀환류채널(6)에 대하여 그 위치에서 시트금속지지체(40,41)에 의하여 고정되어 있는 배출튜브(10)의 설계는 단위시간당 냉각체임버로부터 흘러나올 수 있는 냉매의 양에 있어서 실질적으로 중요하다.The design of the exhaust tube 10, which is fixed by the sheet metal supports 40, 41 at that position relative to the return flow channel 6, is of substantial importance in terms of the amount of refrigerant that can flow out of the cooling chamber per unit of time .
본 발명에 따르면, 배출튜브(10)와 조합되는 귀환류채널(6)은 크로스헤드(8)에 있는 귀환류채널(6)에 인접하는 냉매순환로의 귀환류라인과 귀환류채널(6)과 냉각체임버(15)를 충전하는 가스분위기내에서 동시압력평형을 갖춘 냉매의 유출을 고려한다. 단위시간당 냉각체임버로부터 흘러나오는 냉매의 양으로서 측정된 귀환류채널(6)의 용량을 최적화하기 위하여 배출튜브(10)를 설계할 때, 각각의 파라미터의 기능으로서 상반되는 경향을 갖는 다양한 효과를 고려하여 최적의 절충조건을 끌어낼 필요가 있다.According to the present invention, the return flow channel 6 combined with the discharge tube 10 is connected to the return flow channel of the refrigerant circulation path adjacent to the return flow channel 6 in the crosshead 8, Consider the outflow of refrigerant with simultaneous pressure equilibrium in a gas atmosphere filling the cooling chamber 15. When designing the discharge tube 10 to optimize the capacity of the return flow channel 6 measured as the amount of refrigerant flowing out of the cooling chamber per unit of time, various effects with conflicting tendencies are considered as a function of each parameter It is necessary to derive the optimum negotiation conditions.
· 귀환류채널(6)내에서 연장되는 배출튜브(10)의 단면의 길이에 대하여는, 상반되는 영향간의 절충조건으로서 이상적인 범위가 있다. 한편, 배출튜브(10)의 길이가 증가함으로써 귀환류채널의 흐름저항이 증가하며, 왜냐하면 배출튜브(10)가 유출냉매에 대하여 마찰면으로 되고, 냉매가 배출튜브(10)의 외측과 채널(6)의 벽 사이에서 주로 흘러나오기 때문이다. 대조적으로, 극단의 경우 배출튜브가 존재하지 않으면, 냉매레이크(lake)가 형성되어 분사플레이트의 개구(21) 위를 덮는다. 이러한 냉매레이크는 귀환류채널(6)로부터의 가스의 유입 및 냉각체임버(15)와 귀환류채널(6)간의 압력평형을 방해한다. 냉매의 유출을 감소시키는 이러한 효과는 귀환류채널(6)내에서 연장되는 배출튜브(10)의 길이가 증가함으로써 감소된다. 개구(21) 위를 덮는 냉매레이크가 방지되고, 또한 가스의 침투율이 확보되도록 냉매체임버로부터 반대쪽의 배출튜브(10)의 단부와 크로스헤드(8)와의 사이의 귀환류채널(6)의 영역에서 배출튜브에 의하여 냉매의 흐름프로파일이 형성된다. 절충조건으로서, 귀환류채널(6)로 돌출하는 배출튜브(10)의 길이에 대하여 이상적인 범위가 얻어진다. 귀환류채널(6)내로 돌출하는 배출튜브(10)의 이상적인 길이는 귀환류채널(6)의 길이의 10%∼90%의 범위이고, 더 바람직하게는 귀환류채널(6)의 길이의 15%∼50%의 범위인 것을 실험을 통하여 알았다. 상세는 배출튜브의 단면적 또는 배출튜브의 형상 등의 다른 파라미터에 의존한다.With respect to the length of the cross-section of the discharge tube 10 extending in the return channel 6, there is an ideal range as a compromising condition between the opposite effects. On the other hand, as the length of the discharge tube 10 increases, the flow resistance of the return flow channel increases because the discharge tube 10 becomes a frictional surface with respect to the refrigerant outflowed, 6). In contrast, in the extreme case, if there is no discharge tube, a coolant lake is formed and covers over the opening 21 of the spray plate. This refrigerant rake interferes with the inflow of the gas from the return flow channel 6 and the pressure balance between the cooling chamber 15 and the return flow channel 6. This effect of reducing the outflow of refrigerant is reduced by increasing the length of the exhaust tube 10 extending in the return flow channel 6. In the region of the return flow channel 6 between the end of the discharge tube 10 on the opposite side from the refrigerant chamber and the crosshead 8 so that the refrigerant lak that covers over the opening 21 is prevented, A flow profile of the refrigerant is formed by the discharge tube. As a compromise condition, an ideal range for the length of the discharge tube 10 protruding into the return flow channel 6 is obtained. The ideal length of the discharge tube 10 projecting into the return flow channel 6 is in the range of 10% to 90% of the length of the return flow channel 6, more preferably 15% of the length of the return flow channel 6 % ~ 50% of the total amount of water. The details depend on other parameters such as the cross-sectional area of the discharge tube or the shape of the discharge tube.
· 배출튜브(10)의 외측면과 귀환류채널(6)의 벽과의 사이의 공간을 크게 하여 가능한 한 많은 냉매가 흘러나가도록 하기 위하여 가능한 한 배출튜브(10)의 단면적을 작게 하여야 하는 요구조건과, 냉각체임버(15)내로 효율적으로 가스가 흘러들어가도록 하기 위하여 배출튜브(10)의 단면적을 가능한 한 크게 하여야 하는 요구조건 사이에서, 절충조건으로서 배출튜브(10)의 이상적인 단면적이 얻어진다. 배출튜브의 이상적인 단면적은 귀환류채널(6)의 단면적의 20%∼70%이고, 더 바람직하게는 귀환류채널(6)의 단면적의 25%∼60%인 것을 실험을 통하여 알았다. 상세는 배출튜브의 길이 또는 배출튜브의 형상 등의 다른 파라미터에 의존한다.A requirement to reduce the cross sectional area of the discharge tube 10 as much as possible in order to increase the space between the outer surface of the discharge tube 10 and the wall of the return flow channel 6 so that as much refrigerant as possible flows out An ideal cross-sectional area of the discharge tube 10 is obtained as a compromise condition between the condition and the requirement to make the cross-sectional area of the discharge tube 10 as large as possible so as to efficiently flow the gas into the cooling chamber 15 . The ideal cross-sectional area of the discharge tube is 20% to 70% of the cross-sectional area of the return flow channel 6, and more preferably 25% to 60% of the cross-sectional area of the return flow channel 6. The details depend on other parameters such as the length of the discharge tube or the shape of the discharge tube.
· 냉각체임버(15)로 돌출하는 배출튜브(10)의 이상적인 길이는 절충조건에 근거한 것으로, 그 길이가 너무 짧으면 상당한 비율의 냉매가 배출튜브(10)로 흘러서, 냉각체임버(15)로의 가스의 공급을 감소시킨다. 또한, 그 길이가 너무 길고, 냉각체임버에 인접하는 배출튜브(10)의 끝부가 냉각체임버(15)의 벽에 너무 근접하면, 배출튜브(10)로의 냉매의 유입이 확실히 방해를 받지만, 냉각체임버(15)로의 가스의 공급도 또한 제한을 받는다. 냉각체임버(15)의 벽으로부터 냉각체임버측의배출튜브(10)의 끝부까지 이상적인 간격 "a"은 배출튜브(10)의 길이방향으로 냉각체임버(15)의 높이 "h"의 10%∼90%이고, 더 바람직하게는 배출튜브(10)의 길이방향으로 냉각체임버(15)의 높이 "h"의 15%∼65%인 것을 실험을 통하여 알았다.An ideal length of the discharge tube 10 protruding into the cooling chamber 15 is based on a compromise condition. If the length is too short, a considerable proportion of the refrigerant flows into the discharge tube 10, Reduce supply. Further, if the length is too long and the end of the discharge tube 10 adjacent to the cooling chamber is too close to the wall of the cooling chamber 15, inflow of the refrigerant into the discharge tube 10 is surely hindered, The supply of the gas to the fuel cell 15 is also limited. An ideal gap "a" from the wall of the cooling chamber 15 to the end of the discharge tube 10 on the cooling chamber side is between 10% and 90% of the height h of the cooling chamber 15 in the longitudinal direction of the discharge tube 10 %, More preferably 15% to 65% of the height " h " of the cooling chamber 15 in the longitudinal direction of the discharge tube 10.
전술한 파라미터 이외에 귀환류채널(6)을 통하여 흘러나갈 수 있는 냉매의 최대량은 내연기관의 동작중 피스톤로드(5)의 방향에서의 피스톤이 왕복하는 진동수에 의존한다. 피스톤로드(5)의 방향에서의 냉매레이크의 전후 스플래시로 인하여 피스톤이 왕복하는 일부의 기간동안에만 냉매가 귀환류 채널에서 흘러나온다. 한편, 냉각체임버(15)로부터의 냉매의 유출은 피스톤의 왕복에 의하여 확실히 감소하지만, 또 한편 왕복피스톤을 갖춘 귀환류 채널의 용량은 고정피스톤을 갖춘 것보다 더욱 민감하게 배출튜브(10)의 치수에 의존한다는 것을 실험을 통하여 알았다. 따라서, 그것은 특히 왕복피스톤을 위한 배출튜브(10)의 설계의 최적화와 관련된다. 배출튜브의 상기의 이상적인 치수범위가 왕복피스톤에 대하여 적용된다.The maximum amount of refrigerant that can flow through the return flow channel 6, in addition to the above-described parameters, depends on the frequency at which the piston reciprocates in the direction of the piston rod 5 during operation of the internal combustion engine. The refrigerant flows out of the return flow channel only during a part of the period during which the piston reciprocates due to the back-and-forth splash of the refrigerant rak in the direction of the piston rod 5. On the other hand, the outflow of the coolant from the cooling chamber 15 is surely reduced by the reciprocation of the piston, while the capacity of the return-flow channel with the reciprocating piston is more sensitive to the dimensions of the discharge tube 10 And that it depends on the experimental results. Thus, it relates in particular to the optimization of the design of the discharge tube 10 for the reciprocating piston. The above-mentioned ideal dimension range of the discharge tube is applied to the reciprocating piston.
배출튜브(10)의 형상은 전술한 발명과는 관련이 없으며, 예를 들면 배출튜브(10)의 단면은 임의의 원하는 프로파일 또는 외형을 가질 수 있다. 원형의 단면을 가진 배출튜브(10)가 실시예에서는 바람직하다. 이러한 튜브는 용이하게 얻을 수 있으므로, 특별히 제작할 필요는 없다. 이러한 튜브는 또한 원형의 유출채널을 갖춘 피스톤과의 조합에 특히 적합하다. 귀환류채널(6)과 동축으로 배설된 원형의 배출튜브가 특히 유리하다. 이러한 동축배열은 본질적으로 축(50)과 회전대칭을 이루는 냉각체임버(15)내에서의 냉매의 흐름의 프로파일과 잘 조화를 이룬다. 배출튜브(10)의 단면프로 파일은 튜브의 길이에 따라서 변할 수 있다.The shape of the discharge tube 10 is not related to the invention described above, for example the cross section of the discharge tube 10 can have any desired profile or contour. A discharge tube 10 having a circular cross-section is preferred in the embodiment. Such a tube can be easily obtained, so that it is not necessary to produce it specially. Such a tube is also particularly suitable for combination with a piston with a circular outlet channel. A circular discharge tube coaxially disposed with the return flow channel 6 is particularly advantageous. This coaxial arrangement is in good agreement with the profile of the flow of refrigerant in the cooling chamber 15, which is rotationally symmetric with the axis 50 in essence. The cross-sectional profile of the discharge tube 10 may vary depending on the length of the tube.
결론으로서, 본 발명의 액체냉각피스톤은 피드라인(30,31,32)과 분사노즐(18)을 통하여 냉각체임버(15)내로 도입되는 냉매를 위한 귀환류채널(6)을 갖춘 냉각체임버(15)를 가진다. 귀환류채널(6)은 피스톤로드(5)내에서 연장되고, 배출튜브(10)는 귀환류채널내에 배설되고, 피스톤측에서 피스톤의 냉각체임버(15)내로 돌출되고, 피스톤로드(5)내에서 귀환류채널(6)의 일부분에만 연장되는 것을 특징으로 한다. 귀환류채널(6)내에서 연장되는 배출튜브(10)는 피스톤로드(5)내에서 종결되고, 귀환류채널(6)과 분리된 주위 공기와 연결되지 않는다. 귀환류채널(6)의 가스가 배출튜브(10)로의 액세스, 배출튜브를 통하여 냉각체임버(15)로의 액세스를 가지도록 배출튜브(10)가 귀환류채널(6)에서의 냉매의 흐름프로파일에 영향을 주고, 따라서 귀환류채널(6)에서의 냉매의 유출을 방지하는 냉각체임버(15)내의 압력저하를 회피한다. 배출튜브(10)는 냉각체임버(15)를 통하는 냉매스루풋을 최적화하는 작용을 한다.As a conclusion, the liquid cooling piston of the present invention has a cooling chamber 15 (not shown) with feed flow lines 30, 31, 32 and a return flow channel 6 for the refrigerant introduced into the cooling chamber 15 through the injection nozzle 18 ). The return flow channel 6 extends in the piston rod 5 and the discharge tube 10 is disposed in the return flow channel and protrudes into the cooling chamber 15 of the piston at the piston side, (6) of the return flow channel (6). The exhaust tube 10 extending in the return flow channel 6 is terminated in the piston rod 5 and is not connected to the separated ambient air from the return flow channel 6. [ The exhaust tube 10 is connected to the flow profile of the refrigerant in the return flow channel 6 so that the gas of the return flow channel 6 has access to the exhaustion tube 10 and access to the cooling chamber 15 through the exhaust tube. Thereby avoiding a pressure drop in the cooling chamber 15 which prevents the refrigerant from flowing out in the return flow channel 6. [ The exhaust tube 10 serves to optimize the refrigerant throughput through the cooling chamber 15.
제1도는 냉각체임버, 냉매분사장치, 귀환류채널 및 배출튜브를 갖춘 피스톤의 종단면도.1 shows a longitudinal section of a piston with a cooling chamber, a coolant injector, a return flow channel and an outlet tube.
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