KR20180090828A - 열전도성 조성물을 수용하는 밀봉된 냉각 갤러리를 가진 피스톤 - Google Patents
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Abstract
대형 내연기관용 피스톤은 밀봉된 냉각 갤러리의 10 vol.% 내지 90 vol.%를 채우는 열전도성 조성물을 포함하고 있다. 상기 열전도성 조성물은 비스무트 및/또는 주석을 포함하고 있다. 예를 들면, 상기 열전도성 조성물은 비스무트와 주석의 단상 이원 혼합물일 수 있다. 상기 열전도성 조성물은 향상된 열특성, 예를 들면, 약 139℃의 녹는점, 약 22 W/m·K의 열전도율, 그리고 약 1.43E-5 m2/s의 열확산율을 가지고 있다. 상기 열전도성 조성물은 반응을 하지 않으며 유독성 금속 또는 엄청나게 비싼 금속을 포함하지 않는다. 고온 작동 동안, 피스톤이 실린더 보어에서 왕복운동할 때, 상기 열전도성 조성물은 냉각 갤러리 전체에 걸쳐서 유동하여 상부 크라운으로부터 열을 소산시키고 결과적으로 내연기관의 효율성을 향상시킨다.
Description
본 발명은 대체로 내연기관용 피스톤과, 상기 내연기관용 피스톤의 제조 방법에 관한 것이다.
대형 디젤 피스톤과 같은, 내연기관에 사용되는 피스톤은 작동하는 동안, 특히 피스톤의 상부 크라운을 따라서, 매우 높은 온도에 노출된다. 따라서, 온도를 완화시키기 위해서, 상기 피스톤은 종종 상부 크라운 아래에 냉각 갤러리를 가지는 형태로 설계되고, 상기 피스톤이 내연기관의 실린더 보어를 따라서 왕복운동할 때 냉각유가 냉각 갤러리 속으로 분무된다. 상기 냉각유는 상부 크라운의 내부면을 따라서 유동하여 상부 크라운으로부터 열을 소산시킨다. 작동하는 동안 피스톤 온도를 조절하기 위해서, 냉각유의 고유동이 꾸준히 유지되어야 한다. 그러나, 상기 냉각유는 내연기관의 고온으로 인해 시간이 경과함에 따라 열화되므로, 상기 냉각유는 엔진 수명을 유지하기 위해서 주기적으로 교체되어야 한다. 게다가, 법률과 소비자가 대형 디젤 엔진의 향상된 효율에 대해 보다 적극적인 목표를 만들어냈다. 예를 들면, 55% 제동 열효율과 60 kW/liter를 달성할 수 있는 모노스틸(Monosteel®) 피스톤이 요구된다.
기관 효율성을 더욱 향상시키기 위해서 사용된 한 가지 방법이 미국 특허 제 9,127,619호 개시되어 있으며 피스톤의 밀봉된 냉각 갤러리를 실리콘유와 구리 입자로 이루어진 2-상 조성물로 부분적으로 채우는 것을 포함하고 있다. 작동하는 동안, 상기 2-상 조성물은 밀봉된 냉각 갤러리의 벽을 따라서 유동하고 연소열을 상부 크라운으로부터 피스톤 본체 전체에 걸쳐서 재분배시킨다. 피스톤 온도 분포의 변화가 코킹(coking)을 감소시킨다. 피스톤 아래에서의 오일 분사 냉각에 대한 필요성도 감소되거나 없어지고, 이것은 와류손(parasitic loss)을 감소시킨다.
그러나, 미국 특허 제9,127,619호의 2-상 조성물에 관한 몇가지 제조 제한, 예를 들면, 산화 분해를 방지하기 위해서 밀봉된 냉각 갤러리 내에 불활성 기체인 아르곤을 필요로 하는 것뿐만 아니라, 계량 및 전달과 같은 제한이 있다. 게다가, 보다 높은 열전도율 그리고 보다 높은 열확산율과 같은, 향상된 열전달 특성이 여전히 요구된다.
다른 기술은, WO2014/032644 그리고 DE102012014200에 개시되어 있는 것과 같이, 낮은 녹는점을 가진 금속 합금을 피스톤 냉각 갤러리에서 사용하는 것을 포함한다. 그러나, 이러한 합금은 통상적으로 바람직하지 않은데, 그 이유는 이러한 합금이 반응성이고, 독성인 금속, 또는 예를 들면, 칼륨, 카드뮴, 나트륨, 납, 갈륨, 그리고 인듐과 같은 엄청나게 비싼 금속을 포함하기 때문이다.
본 발명의 한 실시형태는 2-상 조성물 또는 낮은 녹는점을 가진 금속 합금과 관련된 단점이 없이 향상된 기관 효울성을 제공하는 열전도성 조성물을 수용하는 밀봉된 냉각 갤러리를 가진 내연기관용 피스톤을 제공한다. 상기 피스톤은 상부 크라운과 상부 크라운의 적어도 일부분을 따라서 뻗어 있는 밀봉된 냉각 갤러리를 포함하는 본체 부분을 포함하고 있다. 밀봉된 냉각 갤러리에 수용된 상기 열전도성 조성물은 비스무트와 주석 중의 적어도 하나를 포함한다.
본 발명의 다른 실시형태는 내연기관용 피스톤의 제조 방법을 제공한다. 상기 방법은 비스무트와 주석 중의 적어도 하나를 포함하는 열전도성 조성물을 피스톤의 상부 크라운의 적어도 일부분을 따라서 뻗어 있는 냉각 갤러리로 공급하는 것을 포함하고 있다. 상기 방법은 상기 냉각 갤러리를 밀봉시키는 것을 더 포함하고 있다.
고온 작동 동안, 상기 열전도성 조성물은 밀봉된 냉각 갤러리 전체에 걸쳐서 유동하여 상부 크라운으로부터 열을 제거하고 그 열을 피스톤 전체에 걸쳐서 그리고 주위 환경으로 재분배시킨다. 상기 열전도성 조성물은 미국 특허 제9,127,619호에 개시된 2-상 조성물보다 우수한 열특성을 가지고 있고 WO2014/032644A2와 DE102012014200에 개시되어 있는 것과 같은 반응성이고, 독성을 가지며 엄청나게 비싼 금속의 사용도 피한다. 상기 열전도성 조성물은 반응성이 아니므로, 불활성 공기를 필요로 하는 미국 특허 제9,127,619호의 2-상 조성물과는 다르게, 불활성 공기를 가지거나 가지지 않은 채로 냉각 갤러리 내에 밀봉될 수 있다. 게다가, 상기 열전도성 조성물이 약 139℃ 이상에서 단상의 액체 금속 혼합물이기 때문에 상기 열전도성 조성물의 계량과 주입은 간단하다. 상기 열전도성 조성물은 대체 실시형태로서 피스톤을 제조하는 동안 분말, 입자, 또는 과립으로 냉각 갤러리 속으로 제공될 수 있다. 예를 들면, 상기 열전도성 조성물은 용접 후이고 열처리 전에 냉각 갤러리 속으로 공급될 수 있다. 비스무트 및/또는 주석은, 약 365℃에서 열화되는 상기 2-상 조성물의 실리콘유와는 다르게, 통상적으로 약 650℃인 후-용접 열처리 온도를 거뜬히 견딜 것이므로, 열처리 후에 냉각 갤러리로 공급되어야 한다.
첨부 도면과 관련하여 아래의 상세한 설명을 참고하면 본 발명을 보다 잘 이해하게 되므로 본 발명의 다른 장점을 용이하게 알 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 하나의 예시적인 실시례에 따른 피스톤의 측면 단면도이고; 그리고
도 2는 실리콘유에 대한 예상 등온 열화 시간을 나타내는 그래프이다.
도 1은 본 발명의 하나의 예시적인 실시례에 따른 피스톤의 측면 단면도이고; 그리고
도 2는 실리콘유에 대한 예상 등온 열화 시간을 나타내는 그래프이다.
도 1을 참고하면, 도면에서 유사한 참고번호가 유사한 부분을 나타내고, 내연기관용 예시적인 피스톤(20)이 대체로 도시되어 있다. 상기 피스톤(20)은, 피스톤(20)의 상부 크라운(32)으로부터 효율적으로 열을 제거하기 위해서, 비스무트와 주석 중의 적어도 하나, 그리고 바람직하게는 비스무트와 주석으로 이루어진 이원 혼합물을 포함하는 열전도성 조성물(24)로 부분적으로 채워진 밀봉된 냉각 갤러리(22)를 포함하고 있다.
도 1의 예시적인 피스톤(20)은 내연기관의 실린더 보어에 배치되어 있는 대형 디젤 피스톤이다. 그러나, 임의의 다른 종류의 피스톤이 냉각 갤러리(22) 내의 열전도성 조성물(24)과 함께 사용될 수 있다. 도 1에 도시되어 있는 것과 같이, 상기 피스톤(20)은 중심축(A)의 둘레로 원주방향으로 뻗어 있으며 중심축(A)을 따라서 세로로 상부 단부(28)로부터 하부 단부(30)까지 뻗어 있는 본체 부분(26)을 포함하고 있다. 상기 본체 부분(26)은 금속 재료, 통상적으로 강으로 형성되어 있지만, 대체 실시형태로서 알루미늄, 알루미늄 합금, 또는 다른 금속으로 형성될 수 있다. 이 예시적인 실시례에서, 본체 부분(26)은 상부 크라운(32), 하부 크라운(34), 한 쌍의 핀 보스(36), 그리고 스커트(38)를 포함하고 있다.
피스톤(20)의 상부 크라운(32)은 외부면(40) 및 반대쪽으로 향하는 내부면(42)을 포함하고 있다. 상부 크라운(32)의 외부면(40)은 작동하는 동안 실린더 보어에서 고온의 연소 가스에 직접 노출되는 상부 단부(28)에 보울 모양의 형상부를 제공한다. 냉각 갤러리(22)는, 냉각 갤러리(22)의 내부에 수용된 열전도성 조성물(24)이 작동하는 동안 고온의 보울 모양의 형상부로부터 열을 소산시킬 수 있도록, 보울 모양의 형상부의 반대쪽에, 상부 크라운(32)의 내부면(42)의 적어도 일부분을 따라서 뻗어 있다. 상기 예시적인 실시례에서, 밀봉된 냉각 갤러리(22)는 상부 크라운(32)의 보울 림(70)의 아래에 중심축(A)의 둘레로 원주방향으로 뻗어 있다.
도 1에 도시되어 있는 것과 같이, 상부 크라운(32)은 제1 외부 리브(44)와 제1 내부 리브(46)를 포함하고 있고, 상기 제1 외부 리브(44)와 제1 내부 리브(46)는 각각 중심축(A)의 둘레로 원주방향으로 뻗어 있으며 세로로 상부 단부(28)로부터 하부 단부(30)쪽으로 뻗어 있다. 제1 외부 리브(44)와 제1 내부 리브(46)는 서로 이격되어 있고, 제1 내부 리브(46)는 제1 외부 리브(44)와 중심축(A)의 사이에 배치되어 있다. 제1 외부 리브(44)의 외부면(40)은 피스톤 링(54)을 유지하기 위해 중심축(A)으로부터 멀어지게 향해 있으며 중심축(A)의 둘레로 원주방향으로 뻗어 있는 복수의 링 홈(52)을 제공한다. 냉각 갤러리(22)를 밀봉시키기 전에 열전도성 조성물(24)을 냉각 갤러리(22)로 공급할 수 있게 하기 위해서 개구(56)가 하부 크라운(34)을 관통하여 냉각 갤러리(22)로 뻗어 있다. 예를 들면, 상기 개구(56)는, 피스톤(20)의 비-스러스트면(non-thrust plane)을 따라서, 하부 크라운(34)의 제2 내부 리브(50)에나 하부 크라운(34)의 제2 내부 리브(50)에 인접하여 형성될 수 있다. 그러나, 상기 개구(56)는 대체 실시형태로서 상부 크라운(32) 또는 하부 크라운(34)의 다른 장소에 형성될 수 있다. 통상적으로 플러그(58)를 개구(56)에 끼운 다음 고온 에폭시 조성물과 같은 접착제로 밀봉된다. 그러나, 상기 개구(56)는 대체 실시형태로서 플러그(58)를 개구(56)에 텅스텐 불활성 기체(TIG) 용접하는 것, 마찰 용접하는 것, 레이저 용접하는 것, 또는 납땜하는 것과 같은, 다른 방법을 사용하여 밀봉될 수 있다. 다른 밀봉 기술은, 스레딩 기술(threading technique) 또는 용접 기술에 비하여, 시간이 덜 드는, 플러그(58)를 개구(56)속으로 압입 끼워맞춤하는 것을 포함한다.
피스톤(20)의 본체 부분(26)은 또한 상부 크라운(32)으로부터 하부 단부(30)쪽으로 뻗어 있는 하부 크라운(34)을 포함하고 있다. 상기 하부 크라운(34)은 피스톤 링(54)을 유지하는 적어도 하나의 링 홈(52)을 포함하는 외부면(40)을 제공한다. 상기 하부 크라운(34)은 또한 외부면(40)과 반대쪽으로 향하는 내부면(42)을 포함하고 있다. 상기 하부 크라운(34)은 상부 크라운(32)의 제1 외부 리브(44)와 정렬되어 있으며 상부 크라운(32)의 제1 외부 리브(44)에 연결된 제2 외부 리브(48)와, 상부 크라운(32)의 제1 내부 리브(46)와 정렬되어 있으며 상부 크라운(32)의 제1 내부 리브(46)에 연결된 제2 내부 리브(50)를 포함하고 있다. 상기 제2 외부 리브(48)와 상기 제2 내부 리브(50)는 상부 단부(28)와 하부 단부(30)의 사이에서 중심축(A)의 둘레로 원주방향으로 뻗어 있고 하부 크라운(34)의 내부면(42)에 의해 서로 이격되어 있다. 따라서, 도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 상부 크라운과 하부 크라운(32, 34)의 내부 리브(46, 50)와 외부 리브(44, 48)는 이들의 사이에 밀봉된 냉각 갤러리(22)를 형성하고 있다. 제2 리브(48, 50)는 통상적으로 마찰 용접부(60)에 의해 제1 리브(44, 46)에 연결되어 있지만, 다른 종류의 용접부나 연결부에 의해 연결될 수 있다.
도 1에 도시되어 있는 것과 같이, 상부 크라운(32)의 내부면(42)과 제1 내부 리브(46)는 이들의 사이에 냉각실(62)을 제공하고 있다. 상기 냉각실(62)은 상부 크라운(32)의 내부면(42)의 일부분을 따라서 반경방향으로 그리고 중심축(A)을 따라서 세로로 뻗어 있으며 하부 단부(30)쪽으로 개방되어 있다. 작동하는 동안, 냉각실(62)은 실린더 보어에 노출되고, 피스톤(20)의 온도를 낮추기 위해서 오일이 냉각실(62)속으로 분무될 수 있다.
피스톤(20)의 본체 부분(26)은 또한 하부 크라운(34)으로부터 아래로 뻗어 있으며 중심축(A)과 수직으로 뻗어 있는 횡방향으로 이격된 한 쌍의 핀 보어(64)를 제공하는 한 쌍의 핀 보스(36)를 포함하고 있다. 상기 본체 부분(26)은 또한 하부 크라운(34)으로부터 아래로 뻗은 스커트(38)를 포함하고 있다. 상기 스커트(38)는 횡방향으로 상기 한 쌍의 핀 보스(36)에 연결되어 있으며 상기 한 쌍의 핀 보스(36)를 서로 이격시킨다. 스커트(38)의 외부면(40)은 실린더 보어와의 협력을 위해 볼록하다. 비록 도 1에 도시된 피스톤(20)은 일체형 구조이지만, 상기 피스톤(20)이 대체 실시형태로서 다른 형태로 이루어질 수 있다.
상기 열전도성 조성물(24)은 통상적으로 냉각 갤러리(22)의 전체 부피를 기준으로 냉각 갤러리(22)의 10 내지 90 부피퍼센트(vol.%)를 채운다. 상기 열전도성 조성물(24)은 내연기관의 통상적인 작동 온도에서 액체이다. 따라서, 작동하는 동안, 피스톤(20)이 실린더 보어에서 왕복운동할 때, 상기 열전도성 조성물(24)이 냉각 갤러리(22)의 전체에 걸쳐서 유동하여 열을 상부 크라운(32)으로부터 피스톤(20) 전체 걸쳐서 그리고 주위 환경으로 소산시킨다.
상기 열전도성 조성물(24)은 비스무트와 주석 중의 적어도 하나를 포함하고 있다. 하나의 실시례에 따르면, 상기 열전도성 조성물(24)이 주석은 포함하고 비스무트는 포함하지 않거나, 주석으로 이루어져 있다. 제2 실시례에 따르면, 상기 열전도성 조성물(24)이 비스무트는 포함하고 주석은 포함하지 않거나, 비스무트로 이루어져 있다. 제3 실시례에 따르면, 상기 열전도성 조성물(24)이 주석과 비스무트의 양자를 포함하거나 주석과 비스무트의 양자로 이루어져 있다.
예시적인 한 실시례에 따르면, 상기 열전도성 조성물(24)이 열전도성 조성물(24)의 전체 무게를 기준으로 0 내지 95 중량퍼센트(wt.%)보다 많거나 같은 양의 비스무트와 5 wt.% 내지 100 wt.%의 주석을 포함하고 있다. 통상적으로, 상기 열전도성 조성물(24)는 주석과 비스무트로만 이루어져 있고, 비스무트는 0 wt.%보다 많은 양으로 존재한다. 예시적인 실시례에서, 열전도성 조성물(24)은 열전도성 조성물(24)의 전체 무게를 기준으로 38 wt.% 내지 48 wt.%의 주석과 52 wt.% 내지 62 wt.%의 비스무트를 포함한다. 한 가지 바람직한 실시례에서는, 상기 열전도성 조성물(24)이 열전도성 매체이고, 상기 열전도성 매체는 주석과 비스무트로만 이루어진 금속 조성물이다. 예를 들면, 열전도성 조성물(24)은 열전도성 조성물(24)의 전체 무게를 기준으로 57 wt.%의 비스무트와 43 wt.%의 주석을 포함할 수 있다. 상기 열전도성 조성물(24)은 또한 단상(single-phase)으로 이루어지고 비반응성이다.
예시적인 열전도성 조성물(24)은 통상적으로 139℃ 내지 250℃의 녹는점, 16 W/m·K 내지 31 W/m·K의 열전도율, 그리고 1.13 E-5 m2/s 내지 1.86 E-5 m2/s의 열확산율을 가진다. 예를 들어, 열전도성 조성물(24)이 57 wt.%의 비스무트와 43 wt.%의 주석으로 이루어진 금속 조성물인 경우, 열전도성 조성물(24)은 139℃의 녹는점, 22 W/m·K의 열전도율, 그리고 1.43E-5 m2/s의 열확산율을 가진다.
상기 열전도성 조성물(24)은 온도에 따라 고체나 액체의 단상으로 존재한다. 녹는점 이하에서는, 상기 열전도성 조성물(24)이 고체 상태이다. 엔진이 작동하는 동안, 냉각 갤러리(22)의 온도는 통상적으로 약 250℃ 내지 330℃, 이것은 열전도성 조성물(24)의 녹는점보다 높다. 따라서, 열전도성 조성물(24)은 엔진이 작동하는 동안 액체 상태이다. 피스톤(20)이 실린더 보어에서 왕복운동할 때, 열전도성 조성물(24)는 열을 상부 크라운(32)으로부터 냉각 갤러리(22) 전체에 걸쳐서 전달하고 하부 크라운(34) 또는 피스톤(20)의 다른 부분으로 전달하는 칵테일 셰이커 효과(cocktail-shaker effect)를 나타낸다.
비스무트와 주석으로 이루어진 열전도성 조성물(24)은 종종 여러 가지 이유로 피스톤 냉각 갤러리에 사용되는 알려진 다른 조성물보다 더 선호된다. 예를 들면, 상기 열전도성 조성물(24)은 반응성이고, 유독성 화학물질, 또는 엄청나게 비싼 화학물질을 포함하지 않는다. 게다가, 상기 열전도성 조성물(24)은 약 22 W/m·K의 열전도율과 약 1.43E-5 m2/s의 열확산율을 가지고, 이것은 미국 특허 제9,127,619호의 2-상 조성물보다 각각 대략 224배와 290배 더 크다. 따라서, 상기 열전도성 조성물(24)은 내연기관의 효율성을 크게 향상시킬 수 있다.
본 발명의 다른 실시형태는 열전도성 조성물(24)을 밀봉된 냉각 갤러리(22) 내에 수용하는 피스톤(20)의 제조 방법을 제공한다. 상기 방법은 대체로 열전도성 조성물(24)을 냉각 갤러리(22)로 공급하는 단계와, 냉각 갤러리(22)를 밀봉시키는 단계를 포함한다. 상기한 바와 같이, 열전도성 조성물(24)은 밀봉시키는 단계 동안 불활성 환경을 요하지 않으며, 계량과 전달이 단순화되도록 단상이다.
냉각 갤러리(22)를 가진 피스톤(20)을 형성하기 위해서 다양한 상이한 방법들이 사용될 수 있다. 그러나, 하나의 예시적인 실시례에 따르면, 상기 방법은, 도 1에 도시되어 있는 것과 같이, 상부 크라운(32)과 하부 크라운(34)을 형성하는 단계, 상부 크라운과 하부 크라운(32, 34)의 내부 리브(46, 50)와 외부 리브(44, 48)를 정렬시키는 단계, 그리고 냉각실(62)과 냉각 갤러리(22)를 형성하기 위해서 상부 크라운과 하부 크라운(32, 34)의 상기 리브(44, 46, 48, 50)를 서로 용접하는 단계를 포함한다. 상기 예시적인 방법은 냉각 갤러리(22)에 개구(56)를 형성하는 단계를 더 포함한다. 이 단계는 하부 크라운(34)에 구멍을 뚫는 단계를 포함할 수 있다. 다른 바람직한 실시례에서는, 상기 방법이 상부 크라운(32)에 개구(56)를 뚫는 단계를 포함한다.
상기 방법은 열전도성 조성물(24)을 비-불활성 분위기하에서 개구(56)를 통하여 냉각 갤러리(22) 속으로 공급하는 단계를 더 포함한다. 그러나, 원하는 경우, 불활성의, 건조한 공기, 통상적으로 질소 또는 아르곤이 사용될 수 있다. 상기 공급하는 단계는 통상적으로 열전도성 조성물(24)로 냉각 갤러리(22)의 10 vol.% 내지 90 vol.%를 채우는 단계를 포함한다. 상기 공급하는 단계 동안, 열전도성 조성물(24)은 액체의 형태로 될 수 있거나, 대체 실시형태로서 분말 또는 과립과 같은 고체 입자로 될 수 있다. 따라서, 열전도성 조성물(24)은 상부 크라운(32) 또는 하부 크라운(34)의 개구(56)로 쏟아부을 수 있다. 또한, 열전도성 조성물(24)은 피스톤(20)의 열처리 전이나 열처리 후에 냉각 갤러리(22)로 공급될 수 있다. 예를 들면, 상기 공급하는 단계는 용접후이고 열처리 전에 일어날 수 있다. 열전도성 조성물(24)의 비스무트와 주석은, 약 365℃에서 열화되므로, 열처리 후에 냉각 갤러리로 공급되어야 하는 2-상 조성물의 실리콘유와는 다르게, 통상적으로 600℃보다 높은, 예를 들면, 약 650℃인 후-용접 열처리 온도를 잘 견딜 것이다. 도 2는 실리콘유에 대한 예상 등온 열화 시간을 나타내는 그래프이다.
상기 방법은 또한, 통상적으로 열전도성 조성물(24)을 냉각 갤러리(22)로 공급한 직후이고 열처리 전에, 냉각 갤러리(22)를 밀봉시키는 단계를 포함한다. 상기 밀봉시키는 단계는 통상적으로 고온 에폭시 조성물과 같은, 플러그(58)에 도포된 접착제로, 플러그(58)를 개구(56)에 끼워서 고정시키는 단계를 포함한다. 다른 실시례에서는, 상기 개구(56)가 플러그(58)를 개구(56)에 압입끼워맞춤하는 것에 의해 밀봉될 수 있고, 이것은 생산 시간을 줄인다. 또 다른 실시례에서는, 대체 실시형태로서 피스톤(20)을 불활성 분위기에 유지시킨 다음, 플러그(58)를 상부 크라운(32) 또는 하부 크라운(34)에 텅스텐 불활성 기체(TIG) 용접 또는 레이저 용접하는 것에 의해서 플러그(58)가 밀봉될 수 있다. 대체 실시형태로 납땜, 수축 끼워맞춤 플러그 및 마찰 용접 플러그도 고려된다.
명백히, 상기의 개시내용에 기초하여 본 발명의 다양한 변형 및 수정이 가능하고 첨부된 청구범위 내에서, 본 발명을 상기한 것과 다르게 실시할 수 있다.
Claims (20)
- 내연기관용 피스톤으로서,
상부 크라운과 상기 상부 크라운의 적어도 일부분을 따라서 뻗은 밀봉된 냉각 갤러리를 포함하는 본체 부분; 및
상기 냉각 갤러리 내에 배치된 열전도성 조성물;
을 포함하고,
상기 열전도성 조성물이 비스무트와 주석 중의 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관용 피스톤. - 제1항에 있어서, 상기 열전도성 조성물의 전체 무게를 기준으로, 상기 비스무트가 0 wt.% 내지 95 wt.%보다 많거나 같은 양으로 존재하고 상기 주석이 5 wt.% 내지 100 wt.%의 양으로 존재하는 것을 특징으로 하는 내연기관용 피스톤.
- 제1항에 있어서, 상기 열전도성 조성물이 상기 주석 및/또는 상기 비스무트로만 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 내연기관용 피스톤.
- 제1항에 있어서, 상기 열전도성 조성물이 이원 혼합물인 것을 특징으로 하는 내연기관용 피스톤.
- 제1항에 있어서, 상기 열전도성 조성물이 139℃ 내지 250℃의 녹는점, 16W/m·K 내지 31W/m·K의 열전도율, 그리고 1.13 E-5 m2/s 내지 1.86 E-5 m2/s의 열확산율을 가지는 것을 특징으로 하는 내연기관용 피스톤.
- 제1항에 있어서, 상기 열전도성 조성물이 단상으로 이루어져 있으며 비반응성인 것을 특징으로 하는 내연기관용 피스톤.
- 제1항에 있어서, 상기 열전도성 조성물이 상기 열전도성 조성물의 전체 무게를 기준으로 52 wt.% 내지 62 wt.%의 상기 비스무트와 38 wt.% 내지 48 wt.%의 상기 주석을 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관용 피스톤.
- 제1항에 있어서, 상기 열전도성 조성물이 상기 열전도성 조성물의 전체 무게를 기준으로 57 wt.%의 상기 비스무트와 43 wt.%의 상기 주석을 포함하고; 상기 열전도성 조성물이 139℃의 녹는점을 가지고; 상기 열전도성 조성물이 22 W/m·K의 열전도율을 가지고; 그리고 상기 열전도성 조성물이 1.43E-5 m2/s의 열확산율을 가지는 것을 특징으로 하는 내연기관용 피스톤.
- 제1항에 있어서, 상기 열전도성 조성물이 상기 냉각 갤러리의 전체 부피를 기준으로 상기 밀봉된 냉각 갤러리의 10 vol.% 내지 90 vol.%를 채우는 것을 특징으로 하는 내연기관용 피스톤.
- 제1항에 있어서, 상기 본체 부분이 강재로 형성되어 있고;
상기 본체 부분이 중심축의 둘레로 원주방향으로 뻗어 있으며 상기 중심축을 따라서 세로로 상부 단부로부터 하부 단부까지 뻗어 있고;
상기 상부 크라운이 외부면 및 반대쪽으로 향하는 내부면을 제공하고 상기 냉각 갤러리가 상기 상부 크라운의 상기 내부면의 적어도 일부분을 따라서 뻗어 있고;
상기 상부 크라운의 상기 외부면이 상기 상부 단부에 보울 모양의 형상부를 제공하고;
상기 상부 크라운이 제1 외부 리브와 제1 내부 리브를 포함하고 있고, 상기 제1 외부 리브와 제1 내부 리브는 각각 상기 중심축의 둘레로 원주방향으로 뻗어 있으며 세로로 상기 상부 단부로부터 상기 하부 단부쪽으로 뻗어 있고, 상기 제1 내부 리브는 상기 제1 외부 리브와 상기 중심축의 사이에 배치되어 있고;
상기 제1 외부 리브의 상기 외부면이 피스톤 링을 유지하기 위해 상기 중심축으로부터 멀어지게 향해 있으며 상기 중심축의 둘레로 원주방향으로 뻗어 있는 복수의 링 홈을 제공하고;
상기 본체 부분이 상기 상부 크라운으로부터 상기 하부 단부까지 뻗어 있는 하부 크라운을 포함하고;
상기 하부 크라운이 외부면 및 반대쪽으로 향하는 내부면을 제공하고, 상기 냉각 갤러리가 상기 하부 크라운의 상기 내부면의 적어도 일부분을 따라서 뻗어 있고;
상기 하부 크라운이 상기 제1 외부 리브에 연결된 제2 외부 리브와 상기 제1 내부 리브에 연결된 제2 내부 리브를 포함하고, 상기 제2 리브가 상기 상부 단부와 상기 하부 단부의 사이에서 상기 중심축의 둘레로 원주방향으로 뻗어서 상기 상부 크라운의 상기 내부면의 일부분을 따라서 상기 내부 리브와 상기 외부 리브의 사이에 상기 밀봉된 냉각 갤러리를 형성하고;
상기 제2 리브가 용접부에 의해 상기 제1 리브에 연결되어 있고;
상기 하부 크라운의 상기 외부면이 적어도 하나의 링 홈을 제공하고;
상기 상부 크라운과 상기 하부 크라운 중의 적어도 하나가 상기 열전도성 조성물을 상기 냉각 갤러리로 공급할 수 있게 하기 위해 상기 냉각 갤러리로 뻗어 있는 개구를 포함하고;
상기 상부 크라운의 상기 내부면과 상기 내부 리브가 자신들의 사이에 냉각실을 제공하고, 상기 냉각실은 상기 상부 크라운의 상기 내부면의 일부분을 따라서 반경방향으로 뻗어 있으며 상기 중심축을 따라서 세로로 뻗어 있고 실린더 보어에 노출되도록 상기 하부 단부쪽으로 개방되어 있고;
상기 본체 부분이 상기 하부 크라운으로부터 아래로 뻗은 한 쌍의 핀 보스를 포함하고, 상기 핀 보스가 상기 중심축과 수직으로 뻗은 한 쌍의 횡방향으로 이격된 핀 보어를 포함하고;
상기 본체 부분이 상기 하부 크라운으로부터 아래로 뻗은 스커트를 포함하고, 상기 스커트가 횡방향으로 상기 핀 보스에 연결되어 있으며 상기 한 쌍의 핀 보스를 서로 이격시키고;
상기 스커트가 상기 실린더 보어와의 협력을 위해 볼록한 외부면을 포함하고;
상기 열전도성 조성물이 상기 냉각 갤러리의 전체 부피를 기준으로 상기 밀봉된 냉각 갤러리의 10 vol.% 내지 90 vol.%를 채우고;
상기 열전도성 조성물이 상기 비스무트와 주석으로 이루어지고, 상기 열전도성 조성물의 전체 무게를 기준으로 상기 비스무트가 0 wt.% 내지 95 wt.%보다 많거나 같은 양으로 존재하고 상기 주석이 5 wt.% 내지 100 wt.%의 양으로 존재하고;
상기 열전도성 조성물이 매체이고, 상기 매체가 금속 조성물이고;
상기 열전도성 조성물이 139℃ 내지 250℃의 녹는점을 가지고;
상기 열전도성 조성물이 단상으로 이루어져 있으며 비반응성이고;
상기 열전도성 조성물이 16 W/m·K 내지 31 W/m·K의 열전도율을 가지고;
상기 열전도성 조성물이 1.13 E-5 m2/s 내지 1.86 E-5 m2/s의 열확산율을 가지고; 그리고
상기 개구에 끼워져서 상기 냉각 갤러리를 밀봉하는 플러그를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관용 피스톤. - 제10항에 있어서, 상기 열전도성 조성물이 상기 열전도성 조성물의 전체 무게를 기준으로 57 wt.%의 상기 비스무트와 43 wt.%의 상기 주석을 포함하고 ; 상기 열전도성 조성물이 139℃의 녹는점을 가지고; 상기 열전도성 조성물이 22 W/m·K의 열전도율을 가지고; 그리고 상기 열전도성 조성물이 1.43E-5 m2/s의 열확산율을 가지는 것을 특징으로 하는 내연기관용 피스톤.
- 내연기관용 피스톤의 제조 방법으로서,
피스톤의 상부 크라운의 적어도 일부분을 따라서 뻗어 있는 냉각 갤러리 속으로 비스무트와 주석 중의 적어도 하나를 포함하는 열전도성 조성물을 공급하는 단계; 그리고
상기 냉각 갤러리를 밀봉시키는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관용 피스톤의 제조 방법. - 제12항에 있어서, 상기 밀봉시키는 단계가 불활성 공기 없이 수행되는 것을 특징으로 하는 내연기관용 피스톤의 제조 방법.
- 제12항에 있어서, 상기 공급하는 단계가 액체 형태로 된 상기 열전도성 조성물을 냉각 갤러리에 붓는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관용 피스톤의 제조 방법.
- 제12항에 있어서, 상기 공급하는 단계가 고체 입자의 형태로 된 상기 열전도성 조성물을 냉각 갤러리로 공급하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관용 피스톤의 제조 방법.
- 제12항에 있어서, 상기 공급하는 단계 후에 상기 열전도성 조성물이 냉각 갤러리 내에 배치된 상태로 600℃보다 높은 온도에서 피스톤을 열처리하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관용 피스톤의 제조 방법.
- 제12항에 있어서, 상기 공급하는 단계 전에 냉각 갤러리를 형성하기 위해서 상부 크라운을 하부 크라운에 용접하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관용 피스톤의 제조 방법.
- 제12항에 있어서, 상기 열전도성 조성물이 주석과 비스무트로 이루어져 있고; 상기 열전도성 조성물의 전체 무게를 기준으로 상기 비스무트가 0 wt.% 내지 95 wt.%보다 많거나 같은 양으로 존재하고 상기 주석이 5 wt.% 내지 100 wt.%의 양으로 존재하는 것을 특징으로 하는 내연기관용 피스톤의 제조 방법.
- 제12항에 있어서, 상기 열전도성 조성물이 상기 열전도성 조성물의 전체 무게를 기준으로 57 wt.%의 상기 비스무트와 43 wt.%의 상기 주석을 포함하고; 상기 열전도성 조성물이 139℃의 녹는점을 가지고; 상기 열전도성 조성물이 22 W/m·K의 열전도율을 가지고; 그리고 상기 열전도성 조성물이 1.43E-5 m2/s의 열확산율을 가지는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 내연기관용 피스톤의 제조 방법.
- 제12항에 있어서, 상기 공급하는 단계가 상기 냉각 갤러리의 전체 부피를 기준으로 상기 냉각 갤러리의 10 vol.% 내지 90 vol.%를 채우는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관용 피스톤의 제조 방법.
Applications Claiming Priority (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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