(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関のピストンであって、
前記ピストンは、熱伝導率を有するスチール材料で形成され、中心軸を中心として周方向に延在する本体を含み、
前記本体は、クラウンと、前記中心軸を中心として周方向に延在するとともに前記クラウンの少なくとも一部に沿って延在する冷却ギャラリーとを含み、
前記ピストンは、前記冷却ギャラリーの少なくとも１５体積パーセント（ｖｏｌ％）を満たす冷却材を含み、
前記冷却材は、前記本体の前記スチール材料の前記熱伝導率よりも高い熱伝導率を有し、
前記冷却材は、アルミニウム系の一体的な固体材料であり、前記中心軸を中心として周方向に連続的に延在するとともに前記クラウンの前記一部に沿って延在し、２００℃以上のピストン運転温度において、前記冷却材が前記クラウンに構造上の固体支持を提供するように、前記冷却材は、少なくとも２００℃において固体のままであり、
前記クラウンは、前記冷却ギャラリーを画定する、上壁と、下壁と、少なくとも１つの側壁とを含み、前記冷却材は前記上壁に沿って連続して延在し、前記冷却材は、前記冷却ギャラリーの１００ｖｏｌ％未満を満たし、空気で満たされたポケットを画定し、前記ポケットと前記上壁との間は前記冷却材によって間隔が空けられている、ピストン。
【請求項２】
前記冷却材は前記冷却ギャラリーの少なくとも９０ｖｏｌ％を満たす、請求項１に記載のピストン。
【請求項３】
内燃機関のピストンであって、
前記ピストンは、熱伝導率を有するスチール材料で形成された本体を含み、
前記本体は、クラウンと、前記クラウンの少なくとも一部に沿って延在する冷却ギャラリーとを含み、
前記ピストンは、前記冷却ギャラリーの少なくとも１５体積パーセント（ｖｏｌ％）を満たす冷却材を含み、
前記冷却材は、前記本体の前記スチール材料の前記熱伝導率よりも高い熱伝導率を有し、
前記冷却材は固体材料であり、
前記クラウンは、前記冷却ギャラリーを画定する、上壁と、下壁と、少なくとも１つの側壁とを含み、前記冷却材は前記上壁に沿って連続して延在し、前記冷却材は、前記冷却ギャラリーの１００ｖｏｌ％未満を満たし、空気で満たされたポケットを画定し、前記ポケットと前記上壁との間は前記冷却材によって間隔が空けられている、ピストン。
【請求項４】
内燃機関のピストンであって、
前記ピストンは、熱伝導率を有するスチール材料で形成された本体を含み、
前記本体は、クラウンと、前記クラウンの少なくとも一部に沿って延在する冷却ギャラリーとを含み、
前記ピストンは、前記冷却ギャラリーの少なくとも１５体積パーセント（ｖｏｌ％）を満たす冷却材を含み、
前記冷却材は、前記本体の前記スチール材料の前記熱伝導率よりも高い熱伝導率を有し、
前記冷却材は固体材料であり、
前記クラウンは前記冷却ギャラリーを画定する複数の壁を含み、前記冷却材は前記壁各々に沿って連続して延在し、前記冷却材は、前記冷却ギャラリーの１００ｖｏｌ％未満を満たし、空気で満たされたポケットを画定し、前記ポケットと前記壁各々との間は前記冷却材によって間隔が空けられている、ピストン。
【請求項５】
前記クラウンはクラウン上部とクラウン下部とを含み、前記クラウン上部は第１の外側リブと第１の内側リブとを含み、前記クラウン下部は第２の外側リブと第２の内側リブとを含み、前記外側リブは接合されて外側の側壁を形成し、前記内側リブは接合されて内側の側壁を形成し、前記側壁は前記冷却ギャラリーを画定する、請求項１に記載のピストン。
【請求項６】
前記クラウンは、前記冷却ギャラリーを画定する複数の壁を含み、前記壁のうちの少なくとも１つは、前記冷却ギャラリーへの入口穴を含む、請求項１に記載のピストン。
【請求項７】
前記入口穴は、前記固体冷却材、プラグ、接着剤、溶接、および蝋付けのうちの少なくとも１つによって封止される、請求項６に記載のピストン。
【請求項８】
前記クラウンは、前記冷却ギャラリーをともに画定する、上壁と下壁と外側の側壁とを含み、前記冷却ギャラリーは、前記クラウンの前記上壁に沿い前記ピストンの中心軸を通って連続して延在する、請求項１に記載のピストン。
【請求項９】
前記クラウンは、前記冷却ギャラリーをともに画定する、上壁と下壁と外側の側壁とを含み、前記冷却ギャラリーは開放されている、請求項１に記載のピストン。
【請求項１０】
前記本体は、前記中心軸に沿って長手方向に上端から下端まで延在し、
前記本体は外面と内面とを含み、
前記クラウンは上壁と下壁と少なくとも１つの側壁とを含み、
前記クラウンの前記上壁、前記下壁、および前記少なくとも１つの側壁それぞれの前記内面は、前記冷却ギャラリーを画定し、
前記クラウンの前記外面は、前記中心軸において頂点を示し、前記中心軸の周囲においてボウル形状を示し、前記ボウル形状の周囲においてボウルの縁を示し、
前記少なくとも１つの側壁は外側の側壁を含み、
前記外側の側壁の前記外面は、前記中心軸と反対側の方向に向いており前記中心軸を中心として周方向に延在する複数のリング溝を示し、
前記冷却材は前記冷却ギャラリーの少なくとも５０ｖｏｌ％を満たし、
前記冷却材は２００℃よりも高い温度で固体のままであり、
前記本体は、前記クラウンから下方向にかつ前記中心軸を中心として周方向に延在する少なくとも１つのピンボスを含み、
前記少なくとも１つのピンボスは、前記中心軸に対して垂直に延在するピンボアを示し、
前記本体は、前記クラウンから下方向に延在しかつ前記中心軸を中心として周方向に延在する少なくとも１つの裾部を含み、前記少なくとも１つの裾部は前記少なくとも１つのピンボスに接合される、請求項１に記載のピストン。
【請求項１１】
内燃機関のピストンを製造する方法であって、
熱伝導率を有するスチール材料で形成され、中心軸を中心として周方向に延在する本体を提供するステップを含み、前記本体はクラウンを冷却ギャラリーとともに含み、前記冷却ギャラリーは、前記中心軸を中心として周方向に延在するとともに前記クラウンの少なくとも一部に沿って延在し、
前記冷却ギャラリーの少なくとも１５体積パーセント（ｖｏｌ％）を冷却材で充填するステップを含み、前記冷却材は、前記本体の前記スチール材料の前記熱伝導率よりも高い熱伝導率を有し、前記冷却材は、アルミニウム系の一体的な固体材料であり、前記中心軸を中心として周方向に連続的に延在するとともに前記クラウンの前記一部に沿って延在し、２００℃以上のピストン運転温度において、前記冷却材が前記クラウンに構造上の固体支持を提供するように、前記冷却材は、少なくとも２００℃において固体のままであり、
前記クラウンは、前記冷却ギャラリーを画定する、上壁と、下壁と、少なくとも１つの側壁とを含み、前記冷却材は前記上壁に沿って連続して延在し、前記冷却材は、前記冷却ギャラリーの１００ｖｏｌ％未満を満たし、空気で満たされたポケットを画定し、前記ポケットと前記上壁との間は前記冷却材によって間隔が空けられている、方法。
【請求項１２】
前記冷却ギャラリーを充填するステップは、前記冷却ギャラリーの少なくとも９０ｖｏｌ％を前記冷却材で充填することを含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記本体を提供するステップは、上壁と前記上壁から下方向に延在する一対の上側リブとを含むクラウン上部を提供することと、下壁と前記下壁から上方向に延在する一対の下側リブとを含むクラウン下部を提供することと、前記上側リブを前記下側リブに接合して前記冷却ギャラリーをその間において画定する内壁と外壁とを形成することとを含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
前記冷却ギャラリーを冷却材で充填するステップは、前記上側リブを前記下側リブに接合する前に、前記リブの間において前記上壁および前記下壁のうちの少なくとも一方に沿って前記冷却材を配置することを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記本体を提供するステップは、前記冷却ギャラリーを前記冷却材で充填する前に、前記壁のうちの１つに入口穴を形成することを含み、
前記冷却ギャラリーを冷却材で充填するステップは、前記上側リブを前記下側リブに接合した後に、液状の前記冷却材を前記入口穴を通して前記冷却ギャラリーの中に流し込むことを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
前記冷却ギャラリーへの前記入口穴を、前記固体冷却材、プラグ、接着剤、溶接、および蝋付けのうちの少なくとも１つによって封止するステップを含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記本体を提供するステップは、冷却ギャラリーを画定する複数の壁を有する前記クラウンを形成するように前記スチール材料を鋳造することと、前記冷却ギャラリーを前記冷却材で充填する前に、前記冷却ギャラリーへの入口穴を前記壁のうちの１つに形成することとを含み、
前記冷却ギャラリーを冷却材で充填するステップは、液状の前記冷却材を前記入口穴を通して前記冷却ギャラリーの中に流し込むことを含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１８】
前記本体を提供するステップは、前記冷却ギャラリーを画定する上壁と下壁と少なくとも１つの側壁とをクラウンに与えることを含み
前記本体を提供するステップはさらに、前記冷却ギャラリーへの入口穴を前記壁のうちの１つに形成し前記下壁から下向きに延在する少なくとも１つのピンボスおよび／または裾部を提供することをさらに含み、
前記冷却ギャラリーを充填するステップは、前記上壁が前記下壁よりも下方になるように配置し、前記冷却材が前記上壁に沿って連続して延在するように液状の前記冷却材を前記入口穴を通して前記冷却ギャラリーの中に流し込むことを含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１９】
前記本体を提供するステップは、前記冷却ギャラリーが開放されるように前記冷却ギャラリーをともに画定する上壁と内側の側壁と外側の側壁とをクラウンに与えることを含み、
前記本体を提供するステップは、前記クラウンから下向きに延在する少なくとも１つのピンボスおよび／または裾部を提供することを含み、前記開放された冷却ギャラリーを充填するステップは、前記上壁が前記少なくとも１つのピンボスおよび／または裾部よりも下に位置するように配置し液状の前記冷却材を前記冷却ギャラリーの中に流し込むことを含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項２０】
前記本体を提供するステップは、前記スチール材料の三次元印刷を含む、請求項１１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本米国特許出願は、２０１４年４月３０日に出願された米国仮特許出願第６１／９８６，３１０号および２０１５年４月３０日に出願された米国実用特許出願第１４／７００，６５４号に基づく利益を主張し、これらの出願の内容全体を本明細書に引用により援用する。
【０００２】
発明の背景
１．発明の分野
本発明は、概して内燃機関のピストンおよび当該ピストンの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
２．関連技術
大型車両用ディーゼルピストン等の、内燃機関で使用されるピストンは、運転中、特にピストンの上部クラウンに沿って非常に高い温度に晒される。したがって、温度緩和のために、ピストンは一般的に上部クラウンの下に冷却ギャラリーを備えるように設計され、ピストンがエンジンのシリンダボアに沿って往復運動する間に冷却オイルが冷却ギャラリー内に吹付けられる。このオイルは、上部クラウンの内面に沿って流れ、上部クラウンから熱を放散させる。しかしながら、運転中のピストン温度を制御するには、高流量のオイルを常に持続しなければならない。加えて、オイルは内燃機関の高温が原因で経年劣化するので、オイルを定期的に交換することによってエンジン寿命を維持しなければならない。さらに、冷却ギャラリーの温度が３５０℃を超えると、オイルは、燃焼してギャラリーの表面に付着する傾向がある。このオイルの燃焼はオイルコーキングと呼ばれている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
発明の概要
本発明のある局面は、内燃機関のピストンを含む。このピストンは、スチール材料で形成された本体を含み、本体は、クラウンと、クラウンの少なくとも一部に沿って延在する冷却ギャラリーとを含む。スチール材料の熱伝導率よりも高い熱伝導率を有する固体冷却材が、冷却ギャラリーの少なくとも１５体積パーセント（ｖｏｌ％）を満たす。固体冷却材は、クラウンに沿って優れた冷却をもたらし、したがってクラウンに沿う腐食および浸食は減少する。加えて、一般的に、従来のギャラリーオイル冷却は、固体冷却材を使用する場合は不要なので、オイルコーキングの問題を回避できる。しかしながら、オイル冷却を利用する場合でも、固体冷却材は、オイルが導入される領域の熱を拡散して温度を低下させることによってこの領域をコーキング温度未満に保つ温度緩衝材の機能を果たすことができる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の別の局面は、上記ピストンの製造方法を含む。この方法は、スチール材料で形成された本体を提供することと、冷却ギャラリーの少なくとも１５体積パーセント（ｖｏｌ％）を固体冷却材で充填することとを含む。
【０００６】
本発明のその他の利点は、以下の詳細な説明を添付の図面とともに検討することによって本発明をより良く理解すると、直ちにわかるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】ある代表的な実施形態に従うピストンの側面断面図であり、ピストンの冷却ギャラリーの１００体積パーセント（ｖｏｌ％）が固体冷却材で充填されている。
【図２】第２の代表的な実施形態に従うピストンの側面断面図であり、ピストンの冷却ギャラリーの５０ｖｏｌ％未満が固体冷却材で充填されている。
【図３】第３の代表的な実施形態に従うピストンの側面断面図であり、ピストンの冷却ギャラリーの５０ｖｏｌ％超が固体冷却材で充填されている。
【図４】第４の代表的な実施形態に従うピストンの側面断面図であり、ピストンの冷却ギャラリーの５０ｖｏｌ％超が固体冷却材で充填されている。
【図５Ａ】第５の代表的な実施形態に従うピストンの側面断面図であり、ピストンの冷却ギャラリーの約５０ｖｏｌ％が固体冷却材で充填されている。
【図５Ｂ】第５の代表的な実施形態に従うピストンの別の側面断面図である。
【図５Ｃ】第５の代表的な実施形態に従うピストンの底面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
代表的な実施形態の説明
図面を参照して、いくつかの図面において同様の数字は対応する部分を示し、本発明の代表的な実施形態に従う、内燃機関において使用されるときに優れた性能を示すピストン２０が、図１〜図５において全体的に示されている。ピストン２０は、スチール材料で形成された本体２２を含む。本体２２は、クラウン２４と、クラウン２４の少なくとも一部に沿って延在する冷却ギャラリー２６とを含む。冷却材２８が、冷却ギャラリー２６の少なくとも１５体積パーセント（ｖｏｌ％）を満たしている。冷却材２８の熱伝導率は、本体２２のスチール材料の熱伝導率よりも高い。また、冷却材２８は、固体であり、一般的にはアルミニウム系材料等の金属材料である。冷却ギャラリー２６の少なくとも１５ｖｏｌ％を固体冷却材２８で満たすことにより、クラウン２４に沿う冷却が優れたものになるとともにクラウン２４に沿う腐食および浸食が減少する。一般的に、従来のギャラリーオイル冷却は、固体冷却材２８を使用する場合は不要になるので、オイルコーキングの問題は回避される。
【０００９】
図面に示されているように、ピストン２０の本体２２は、中心軸Ａを中心として周方向に延在し、かつ、中心軸Ａに沿って長手方向に上端３０から下端３２まで延在する。本体２２は、内燃期間の内部での使用中に燃焼室に対して露出される外面３４と、外面３４の反対側の方向に向いている内面３６とを含む。クラウン２４は、上壁３８と、下壁４０と、少なくとも１つの側壁とを含み、これらの壁がともに冷却ギャラリー２６を画定する。図１、図２、および図４の代表的な実施形態において、ピストン２０は、冷却ギャラリー２６を画定する外側の側壁４２と内側の側壁４４とを含む。これらの実施形態において、冷却ギャラリー２６は、クラウン２４の上壁３８の少なくとも一部のみに沿い中心軸Ａを中心として周方向に延在し、かつ、中心軸Ａから径方向に距離を置いた場所にある。しかしながら、図３の代表的な実施形態では、ピストン２２０は外側の外壁２４２しか含まないので、冷却ギャラリー２２６は中心軸Ａを通りクラウン２２４の上壁２３８全体に沿って連続して延在している。図５は、別の代表的な実施形態を示し、クラウン４２４は、上壁４３８と、外側の側壁４４２と、内側の側壁４４４とを含み、これらの壁がともに冷却ギャラリー４２８を画定する。この実施形態において、冷却ギャラリー４２８の底部は、開放されたままなので、冷却オイルに晒される可能性がある。
【００１０】
図１、図２、および図４の代表的な実施形態において、ピストン２０の外側の側壁４２および内側の側壁４４はリブによって形成されており、これらのリブが接合されて冷却ギャラリー２６を画定する。これらの実施形態において、クラウン２４は、クラウン上部４６とクラウン下部４８とを含む。クラウン上部４６は、第１の外側リブと第１の内側リブとを含み、クラウン下部４８は、第２の外側リブと第２の内側リブとを含む。この実施形態において、第１および第２の外側リブは、溶接５０によって接続されて外側の側壁４２を形成し、第１および第２の内側リブは、溶接５０によって接続されて内側の側壁４４を形成する。これに代えて、これらのリブは、接着または機械的装着等の別の接合方法を用いて互いに装着してもよい。壁３８、４０、４２、４４のうちの少なくとも１つ、典型的には下壁４０は、冷却材２８を冷却ギャラリー２６に入れるための入口穴５２を含む。冷却ギャラリー２６への入口穴５２は、封止されない状態のままであってもよく、または、たとえば、プラグ、接着剤、溶接、蝋付けのうちの少なくとも１つによって封止されていてもよい。固体冷却材２８が、図１に示されるように冷却ギャラリー２６の１００％を満たす場合、冷却材２８そのものが入口穴５２に沿って封止部を形成する。これに代えて、固体冷却材２８を、クラウン上部および下部４６、４８を互いに接合する前に、クラウン上部４６および／またはクラウン下部４８に沿って配置してもよい。
【００１１】
代表的な実施形態のピストン２０において、本体２２の外面３４は、中心軸Ａにおいて頂点を示し、中心軸Ａの周囲においてボウル形状を示し、ボウル形状の周囲においてボウルの縁を示している。また、外側の側壁４２は、中心軸Ａと反対側の方向に向いており中心軸Ａを中心として周方向に延在する複数のリング溝５６を含む。代表的な実施形態のピストン２０はさらに、少なくとも１つのピンボス５８を含む。しかしながら、これは典型的には一対のピンボス５８であり、各ピンボスは、クラウン２４から下方向にかつ中心軸Ａを中心として周方向に延在する。この少なくとも１つのピンボス５８は、中心軸Ａに対して垂直に延在しリストピン（図示せず）を収容するためのピンボア６０を示す。本体２２はまた、少なくとも１つの裾部６２を含む。しかしながら、これは典型的には一対の裾部６２であり、クラウン２４から下方向にかつ中心軸Ａを中心として周方向に延在する。この少なくとも１つの裾部６２は、上記少なくとも１つのピンボス５８に接合されている。一般的に、裾部６２と裾部６２の間は、ピンボス５８により、中心軸Ａを中心とする周方向において間隔が空けられている。ピストン２０の本体２２は、冷却材２８を収容するための冷却ギャラリー２６を含みつつ、図１〜図５に開示されているもの以外の、その他さまざまな設計を含み得る。
【００１２】
ピストン２０の固体冷却材２８は、冷却ギャラリー２６の少なくとも１５ｖｏｌ％を満たしているが、一般的には冷却ギャラリー２６の容積の少なくとも大半を満たす。図１の代表的な実施形態において、固体冷却材２８は、冷却ギャラリー２６の１００ｖｏｌ％を満たしている。図２の代表的な実施形態において、固体冷却材１２８は、冷却ギャラリー１２６の５０ｖｏｌ％未満、たとえば冷却ギャラリー１２６の３０〜４５ｖｏｌ％を満たしている。図３の代表的な実施形態において、固体冷却材２２８は、冷却ギャラリー２２６の５０ｖｏｌ％超、たとえば冷却ギャラリー２２６の８０〜９５ｖｏｌ％、または少なくとも９０ｖｏｌ％を満たしている。図４の代表的な実施形態においても、固体冷却材３２８は、冷却ギャラリー３２６の５０ｖｏｌ％超、たとえば８０〜９５ｖｏｌ％を満たしている。図５の代表的な実施形態において、固体冷却材４２８は、冷却ギャラリー４２６の約５０ｖｏｌ％、たとえば冷却ギャラリー４２６の３５〜７５ｖｏｌ％、または少なくとも４０ｖｏｌ％を満たしている。また、各実施形態において、冷却材２８を、冷却ギャラリー２６のいくつかの領域のみに沿って配置しそれ以外の領域には配置しないようにしてもよい。たとえば、図５の実施形態において、冷却材４２８をピンボス４５８に隣接するように配置し裾部４６２に沿って配置しないようにしてもよい。
【００１３】
図２〜図５の実施形態において、固体冷却材２８は、冷却ギャラリー２６の１００ｖｏｌ％を満たしておらず、冷却ギャラリー２６の残りのｖｏｌ％は、気体、典型的には空気で満たされたポケット６４である。この場合、ポケット６４を従来のオイル冷却ギャラリーとして使用することができる。すなわち、冷却ギャラリー２６を開放状態のまま封止しないことで、オイルを固体冷却材２８に沿っておよび／またはクラウン２４の壁３８、４０、４２、４４に沿って吹付けることができる。さらに、固体冷却材２８が冷却ギャラリー２６の１００ｖｏｌ％を満たしていない場合は、固体冷却材２８を、冷却ギャラリー２６を形成する壁３８、４０、４２、４４に対してさまざまな場所に配置することができる。たとえば、図２では、固体冷却材１２８はピストン１２０の上壁１３８に沿って配置され、空気で満たされたポケット１６４は下壁１４０に沿った位置にある。この位置は一般的に、燃焼室の高温ガスに直接晒されるクラウン１２４の高温の上壁１３８から熱を伝導するのに好ましい。図３では、固体冷却材２２８はピストン２２０の下壁２４０に沿って配置され、空気で満たされたポケット２６４は上壁２３８に沿った位置にある。図４では、固体冷却材３２８は各壁３３８、３４０、３４２、３４４に沿って配置され、ポケット３６４は、壁３３８、３４０、３４２、３４４から間隔が空けられて冷却ギャラリー３２６の中心にまたはその周辺に位置する。図５では、固体冷却材４２８はピストン４２０の上壁４３８に沿って配置され、空気で満たされたポケット４６４は冷却ギャラリー４２６の下端に沿った位置にある。この実施形態において、冷却ギャラリー４２６は、解放された底部を有し固体冷却材４２８を露出させている。
【００１４】
図１〜図５に示される代表的な実施形態において、冷却ギャラリー２６に配置された固体冷却材２８は、ピストン２０の本体２２の温度が２００℃以上、典型的には３５０℃以上、たとえば内燃機関の運転中のピストン２０の温度であっても、固体のままである。しかしながら、ピストン２０を製造する方法において、固体冷却材２８は、少なくともその融点まで加熱された後に、液状で冷却ギャラリー２６の中に流し込まれるまたは配置される。その後、固体冷却材２８は凝固しピストン２０の寿命を通して固体のままである。
【００１５】
固体冷却材２８は、ピストン２０の本体２２を形成するのに使用されるスチール材料の熱伝導率よりも高い熱伝導率を有するので、運転中にクラウン２４の高温の上壁３８から熱を放散させることができる。固体冷却材２８は、効果的にクラウン２４を冷却しつつ、オイルがコーキングにより冷却ギャラリー２６に沿う表面３４、３６に付着する等の、従来の冷却オイルに関連する問題を回避する。また、固体冷却材２８は、一定水準の材料強度を有するが、一般的にその密度はスチール材料の密度よりも小さい。よって、固体冷却材２８は、ピストン２０の総質量を大幅に増すことなく、追加的な構造上の支持または剛性を提供することができる。加えて、固体冷却材２８を用いることで、そうでなければ解決するのが難しいであろう特定の構造の問題を解決することができる。場合によっては、固体冷却材２８を、リブまたは壁等のスチール材料で形成された別の支持構造体の代わりに用いてもよく、その場合、ピストン２０の総質量は減少する。
【００１６】
固定冷却材２８は一般的に、ピストン２０の本体２２を形成するのに使用されるスチール材料の熱伝導率よりも高い熱伝導率を有する金属材料を含む。ある代表的な実施形態において、固体冷却材２８は、アルミニウム系材料、たとえば純アルミニウムまたはアルミニウム合金である。アルミニウム系材料は、エンジンの運転中、たとえ冷却ギャラリー２６の温度が３５０℃を上回っても固体のままである。また、アルミニウム系材料は、スチール材料の熱伝導率よりも高い熱伝導率を有するので、クラウン２４の高温の上壁３８から熱を効果的に放散する。アルミニウムで充填された冷却ギャラリー２６を含むピストン２０に対して有限要素解析（ＦＥＡ）を実施したところ、このＦＥＡは、アルミニウムで充填された冷却ギャラリー２６が、標準的な冷却オイルと同様に効果的にクラウン上部４６を冷却できることを示した。アルミニウム系材料はまた、追加的な支持と剛性を提供するが、スチール材料よりも密度が低いのでピストン２０の総質量を大幅に増加させない。
【００１７】
本発明の別の局面は、冷却ギャラリー２６内の固体冷却材２８を含むピストン２０を製造する方法を提供する。この方法は一般的に、スチール材料で形成された本体２２を提供するステップと、冷却ギャラリー２６の少なくとも１５体積パーセント（ｖｏｌ％）を固体冷却材２８で充填するステップとを含む。
【００１８】
図１、図２、および図４に示される代表的なピストン２０を形成するとき、本体２２を提供するステップは、クラウン上部４６をクラウン下部４８に接合して冷却ギャラリー２６を形成することを含む。この方法は先ず、上壁３８と上壁３８から下方向に延在する一対の上側リブとを含むクラウン上部４６を提供することと、下壁４０と下壁４０から上方向に延在する一対の下側リブとを含む下壁４０を提供することとを含む。次に、この方法は、上側リブを下側リブに接合することにより、その間において冷却ギャラリー２６を画定する内側の側壁４４と外側の側壁４２とを形成することを含む。この接合するステップは、溶接、接着、機械的装着、または、別の技術を用いてリブを接合し冷却ギャラリー２６を形成することを含み得る。図３および図５の代表的なピストン２２０、４２０を形成するとき、ピストン２２０、４２０の本体２２２、４２２を提供する方法は、スチール材料を所望の形状になるように鋳造することを含む。図３の入口穴２５２は、鋳造ステップ中にまたは鋳造ステップ後に形成することができる。これに代えて、ピストン２０の本体２２を形成するステップは、三次元（３Ｄ）印刷を含み得る。
【００１９】
冷却ギャラリー２６を固体冷却材２８で充填するステップは一般的に、クラウン２４の壁３８、４０、４２、４４のうちの１つ、典型的には下壁４０に入口穴５２を形成し、次に固体冷却材２８を入口穴５２を通して流し込むことを含む。この実施形態において、入口穴５２は、接合ステップの前に形成しても接合ステップの後に形成してもよく、冷却ギャラリー２６を充填するステップは接合ステップの後に行なわれる。一般的に、冷却ギャラリー２６を固体冷却材２８で充填するステップは、本体２２を上下逆に配置して上壁３８が下壁４０よりも下に位置するようにし、液状の固体冷却材２８を入口穴５２を通して冷却ギャラリー２６の中に流し込み、冷却材２８が上壁３８に沿って確実に連続して延在するようにすることを含む。図２のピストン１２０の場合も固体冷却材１２８がクラウン１２４の上壁１３８に沿って配置されており、このピストンを形成するための、冷却ギャラリー１２６を充填するステップは、液状の冷却材１２８を、上側のリブを下側のリブに溶接する前に、上側のリブおよび／または下側のリブの間においてクラウン１２４の上壁１３８および／または下壁１４０に沿って配置することを含み、したがって、冷却ギャラリー１２６を封止するステップは、溶接するステップによって完了する。その後、固体冷却材１２８は、閉じられた冷却ギャラリー１２６の内部で凝固する。これに代えて、図３の冷却ギャラリー２２６を固体冷却材２２８で充填するステップは、液状の冷却材２２８を冷却ギャラリー２２６の中に流し込み、クラウン２２４の下壁２４０に沿って冷却材２２８を凝固させることを含んでいてもよい。冷却材３２８が壁３３８、３４０、３４２、３４４各々に沿って延在し空気のポケット３６４が冷却ギャラリー３２６の中心に位置する図４のピストン３２０を形成するとき、冷却ギャラリー３２６を充填するステップは、溶接ステップの前に塩コア（salt core）を冷却ギャラリー３２６の内部に配置してから、溶接ステップの後に液状の冷却材３２８を塩コアの周りに流し込むことを含む。冷却材３２８は、内燃期間の内部において使用する前に固化し、ピストン３２０の寿命を通して固体のままである。図５のピストンの場合、冷却ギャラリー４２６を充填するステップは、ピストン４２０の本体４２２の鋳造後、ピストン４２０を上下逆にした状態で液状の冷却材４２８を冷却ギャラリー４２６に流し込み、冷却材４２８を凝固させることを含む。
【００２０】
図１、図３、および図４のピストン２０を形成するとき、この方法は、冷却ギャラリー２６への入口穴５２を固体冷却材２８で封止することを含む。これに代えて、プラグ、接着剤、溶接、および／または蝋付けを用いて冷却ギャラリー２６への入口穴５２を封止してもよい。クラウン上部４６をクラウン下部４８に接合して冷却ギャラリー２６を形成するステップは、冷却ギャラリー２６の封止も行なう。固体冷却材２８による充填が冷却ギャラリー２６の１００ｖｏｌ％未満である場合は、冷却ギャラリー２６を開放され封止されていない状態のままにしておいて従来のオイルギャラリーとして使用してもよい。図５に示されるように、この方法は代わりに冷却ギャラリー４２６の底部を完全に開放された状態で残してオイルスプレーに晒されるようにすることを含み得る。
【００２１】
明らかに、本発明は、上記教示に照らすと多数の修正および変形が可能であり、添付の請求項の範囲の中で、具体的に記載されたものとは異なるやり方で実施し得る。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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