(57)【要約】ピストン（１）とそれに対応する連接ロッド（４）の間において、連接ロッドをピストンクラウン（２）と逆方向に付勢するように作用するスプリング手段（８）が組み込まれたピストンである。上記スプリング手段（８）は、その円周の縁部が概ね環状の支持部品（１０、１１）によって他の部品と分離するように支持された１組の円板スプリング（９）から構成され、また上記ピストンクラウン（２）の領域に概ね配置される。上記ピストン（１）の内側にはキャリア（５）が配置されてなり、該キャリアは上記ピストンに関連して軸上運動を行うべくピストン内においてスライド可能に取り付けられると共に、上記スプリング手段（８）によって上記ピストンのクラウン（２）が上記キャリア（５）と関連して軸上に移動可能となるように上記連接ロッド（４）に接続される。
2006522895.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピストンとそれに対応する連接ロッドの間において、連接ロッドをピストンクラウンと逆方向に付勢するように作用するスプリング手段が組み込まれたピストンであり、
上記スプリング手段は、その円周の縁部が概ね環状の支持部品によって他の部品と分離するように支持された１組の円板スプリングから構成され、また上記ピストンクラウンの領域に概ね配置されると共に、ピストンの横断面の概ね全体に延長され、更に上記ピストンクラウンを連接ロッドに関連して軸上に移動可能とされることを特徴とするピストン。
【請求項２】
上記支持部品は、上記円板スプリングの円周の縁部に固定された個々の環状部品と、該環状部品と回転して係合するように湾曲した支持表面を有して形成された環状バンドによって構成されることを特徴とする請求項１に記載のピストン。
【請求項３】
上記環状部品及び環状バンドは、硬化鋼からなることを特徴とする請求項２に記載のピストン。
【請求項４】
上記環状バンドには、油潤滑孔部が形成されてなることを特徴とする請求項２又は３に記載のピストン。
【請求項５】
上記円板スプリングはチタン１０−２−３から作られることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のピストン。
【請求項６】
上記ピストンの内側にはキャリアが配置されてなり、該キャリアは上記ピストンに関連して軸上運動を行うべくピストン内においてスライド可能に取り付けられ、上記スプリング手段によって上記ピストンのクラウンが上記キャリアと関連して軸上に移動可能となるように上記連接ロッドに接続されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のピストン。
【請求項７】
上記キャリアには、上記ピストンクラウンから離れて配置される円板スプリングと係合可能なドーム状表面が形成されてなり、上記ピストンクラウンには隣接する円板スプリングと係合可能なドーム状表面が形成されてなることを特徴とする請求項６に記載のピストン。
【請求項８】
上記２つのドーム状表面は相互の鏡像であることを特徴とする請求項７に記載のピストン。
【請求項９】
上記キャリアはアルミニウムからなることを特徴とする請求項８に記載のピストン。
【請求項１０】
上記キャリアは、上記ピストンの円柱状の壁部の、クラウンから離れた端部の内側に固定されたスリーブ内にスライド可能に取り付けられることを特徴とする請求項５〜９のいずれか１項に記載のピストン。
【請求項１１】
上記スリーブは青銅とアルミニウムの合金からなることを特徴とする請求項１０に記載のピストン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃エンジンのためのピストンに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の内燃エンジンでは、乗物を進ませるか或いはその他の負荷に作用するべくピストンの往復運動を出力トルクに変換するためにクランク軸が用いられる。クランク軸は、燃料燃焼から得られる動力を使用可能な出力トルクに変換するには効率的ではない。これは、燃料と空気の混合気体の燃焼が、エンジンの速度及び負荷によってピストンの上死点（ＴＤＣ）位置よりも幾分か前に行われるからである。連接ロッドとクランクピンが上死点より前に逆トルクを生じさせ、上死点において実質的に直線上に位置するため、クランク円に対して接線方向に働く力が生じないので、点火した燃料と空気の圧力は、ピストンが上死点の位置であるか又はそれより前であった場合、出力トルクを生み出すことができない。この結果として、有効なエネルギーのほとんどが熱として失われることになる。点火が行われるのが早すぎた場合、発生された圧力のほとんどは、（この圧力は、圧縮行程が行われる間ピストンの移動方向とは逆の方向にピストンを付勢するため）エンジンを抑止しようとして浪費される。また、点火が遅すぎた場合、動力行程から下降し始める際にピストンの上部の容積の増加によって圧力は低下する。最適な最大圧力点は各エンジンによって異なるが、平均すると上死点後おおよそ１２度である。
【０００３】
本出願人による特許文献１の明細書は、内燃エンジンのためのピストンと連接ロッドのアセンブリに関するものである。上記アセンブリはピストン、連接ロッド及びスプリングから構成され、上記連接ロッドはピストンと対応して移動するようにその第１端部が上記ピストンと移動可能に接続され、その第２端部は回転出力主軸に接続可能に形成される。上記スプリングは、ピストンのクラウンを連接ロッドから引き離すようにピストンと連接ロッドの間において作用する。ピストンは、シリンダーのすき間容積及び高さと概ね同じ距離だけ、連接ロッドの第２（小）端部の方向に移動可能に形成される。スプリングを用いることの利点の１つとしては、アセンブリが共振周波数を有することであり、これに伴う有利な点は本出願人による特許文献２の明細書に説明されている。このアセンブリはエネルギー蓄積ピストンとして、本明細書の全体に渡って触れられている。
【０００４】
使用する際は、動力行程の間に点火燃焼によって発生した膨張ガスがシリンダー内においてピストンを急激に下降させるべく、所定の時間だけ上死点より前に行われるように、点火は従来の時限装置によってタイミングが計られる。しかし、上死点に達する以前にシリンダー内の圧力は高い数値にまで上昇し、スプリングの力に相反して、ピストンはクランクピンの方向に押される。これによってスプリングが圧縮され、ピストン上部にかかる容積が増加し、結果としてシリンダー内の圧力と温度が低下する。温度の低下によって放射損失が削減され、熱は冷却水によって奪われ、その後排熱され、シリンダーのすき間容積とスプリングに圧力が平等に振り分けられる。スプリングに蓄積されたこのエネルギーは、ピストンが上死点を過ぎると放出され、さらに高い出力トルクが生成される。これは、上死点後にスプリングによる圧力がシリンダーの圧力と合わさることによって達成される。最適な性能を得るためには、点火された燃料と空気は上死点後おおよそ１２度で最大圧力に達しなければならないという要件があり、燃料と空気の混合気体は上死点以前に点火されないといけないため、上記の方法をとらなければこの蓄積されたエネルギーの大部分は熱として失われていた。
【０００５】
上記の特許明細書において開示されているエネルギー蓄積ピストンの類における１つの問題点は、連接ロッドの小端部とピストンクラウンの間に取り付けられたスプリング構造にエネルギーを蓄積するために、上記２つの部品間で相対運動が行われる必要があることである。この問題点はスプリング構造及び／又は隣接する部品の磨耗として現れ、この磨耗はアセンブリが移動する部品の厳密な軸上配置を維持できなくなることによって引き起こされる。このような配置のずれによって激しい磨耗が生じ、とりわけピストンが全負荷の状態において、隣接する部品間での発作につながる。
【０００６】
本出願人による特許文献３の明細書には、改良された配置性能を有するエネルギー蓄積ピストンが説明されている。このピストンには、ピストンと一体化されてなる、ベローズスプリングとして形成されたチタン製のスプリングが組み込まれている。
【０００７】
このようなベローズスプリングピストンの不利な点は、製造が困難で、負荷がかかり過ぎると過度の応力が生じる場合があることである。このため、ベローズスプリングを環状のチタンの塊から内側及び外側の溝部を加工して製造するのであれば、この作業はコンピューター数値制御（ＣＮＣ）がなければ行えず、機能的なピストンを製造するためにベローズの正確な断面を作成するには、かなりの時間入力が必要となるため、作業には費用がかかる。更に、溝部を加工することによって高価なチタンの相当な量を無駄にすることになり、また各スプリングは既定されたピストン及びその用途専用に設計される必要がある。また更に、ベローズスプリングの湾曲に形成された内面及び外面部分と、応力集中を分散するためにスプリングの隣接する「バネ板」の反対面が輪郭付けられなければならないという要件から、隣接する「バネ板」の間に出来るすき間が３ミリ程度の比較的幅広となり、負荷がかかり過ぎると過度の応力が加わり、さらなる問題を引き起こしてしまう。このように、ベローズスプリングは単位長さ当たり比較的少ない「バネ板」を有して形成され、この少ない「バネ板」でピストンが使用される際にかかる多大な応力を引き受けなければならない。これによって、１つの「バネ板」にかかる応力は比較的高くなり、スプリングの初期故障につながる。この類のベローズスプリングのさらなる不利点は、要される応力及び偏向の数値を得るためにはかなりの空間を要し、ピストンの設計が困難となる点である。このために、その他のピストン部品に要する空間を、ベローズスプリングに要する空間と競り合わなければならない。本明細書に渡って、「バネ板」という用語はスプリングのうねを形成する部分を示して用いられており、そのように考慮されたい。
【０００８】
代案的に、スプリングのそれぞれのバネ板が打ち抜き加工（スタンピング）によって形成され、バネ板がベローズスプリングを形成するように拡散接合されるのであれば、より経済的なベローズスプリングが製造できるが、端部の内面及び外面が湾曲し、バネ板の壁部が非平行に形成されたベローズスプリングにはつきもののバネ板間に広いすき間が生じることによって、過度の応力による問題は解消されない。上記で説明したような理由から、空間的な問題も引き続き生じる。
【０００９】
本出願人による特許文献４には、ピストンのクラウンから連接ロッドを引き離すように、ピストンとそれに対応する連接ロッドの間において作用するスプリング手段が組み込まれたエネルギー蓄積ピストンが説明されている。上記スプリングは、ベローズスプリングのうねを形成する複数の概ね平行のバネ板を有してなる。バネ板を接続するスプリングの端部の内面及び外面は長方形に形成され、隣接するバネ板の間の間隙は概ね平行の表面によって形成される。
【００１０】
このスプリングは、前述した類のベローズスプリングよりも製造が簡単で、過度に応力が加わった場合にも損害は少ない。しかしながら、このスプリングに関してもピストン内に広い空間を要し、ピストンの設計が困難となる。
【００１１】
本出願人による特許文献５には、ピストンのクラウンから連接ロッドを引き離すように、ピストンとそれに対応する連接ロッドの間において作用するスプリング手段が組み込まれたピストンが説明されている。スプリング手段は、ピストンクラウンの領域に概ね配置され、ピストンの横断面の概ね全体に渡って延長する、概ね円形のクッションスプリングとして形成され、上記スプリング手段はピストンクラウンを連接ロッドに対応して軸上に移動可能とする。
【００１２】
上記クッションスプリングの不利な点は、縁部が接合された２つの同一の部品から製造されなければならない点である。接合方法として好ましいのは電子ビーム溶接であるが、この方法では溶接領域における物質がβトランザス温度を超過していまい、物質は脆くなり、使用可能な寿命の短縮につながる。
【特許文献１】イギリス特許登録第２３１８１５１号
【特許文献２】国際特許出願ＷＯ００／７７３６７
【特許文献３】国際特許出願ＷＯ０１／７５２８４
【特許文献４】イギリス特許出願第０２１６８３０.０号
【特許文献５】イギリス特許出願第０２１８８９３.６号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明の目的は、改良されたピストン、とりわけ改良されたエネルギー蓄積ピストンを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、ピストンのクラウンから連接ロッドを引き離すように、ピストンとそれに対応する連接ロッドの間において作用するスプリング手段が組み込まれたピストンを提供しており、上記スプリング手段はその円周の縁部が概ね環状の支持部品によってその他の部品から分離されるように支持された１組の円板スプリングから構成され、またピストンクラウンの領域に概ね配置されると共に、ピストンの横断面の概ね全体に渡って延長され、更にピストンのクラウンを連接ロッドに対応して軸上に移動可能とする。
【００１５】
好適な具体案において、支持部品は円板スプリングの円周の縁部に固定された各環状部品と、該環状部品と回転して係合するために湾曲した支持表面を有して形成された環状バンドとから構成される。有利には、環状部品と環状バンドは硬化鋼からなり、環状バンドには油潤滑のための孔部が形成されてなることが好ましい。
【００１６】
好ましくは、スプリングはチタン１０−２−３などのチタンから形成される。
【００１７】
好適な具体案において、ピストンはさらにピストン内にキャリアを配置してなり、キャリアはピストンに対応した軸上運動を行うべくピストン内にスライド可能に取り付けられ、さらにスプリング手段によってピストンのクラウンがキャリアに対応して軸上に移動可能となるように連接ロッドに接続される。キャリアはアルミ製であることが好ましい。
【００１８】
好ましくは、上記キャリアにはピストンクラウンから離れた側の円板スプリングと係合可能なドーム状表面が形成されてなり、上記ピストンクラウンにはピストンクラウンに隣接する円板スプリングと係合可能なドーム状表面が形成されてなる。上記ドーム状表面は相互の鏡像であることが好ましい。
【００１９】
好適には、キャリアはクラウンと離れた方の端部におけるピストンの円柱状の内壁部に固定されたスリーブ内にスライド可能に取り付けられ、スリーブは青銅とアルミの合金から形成される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本発明は、図面を参照とし、ほんの一例として以下に更に詳細に説明される。
【００２１】
図面を参照に、図１には内燃エンジンにおける中空のピストン１が示されており、ピストンは従来のように鋳鉄で裏打ちされたシリンダー（図示なし）内で往復可能である。ピストン１はアルミニウムからなり、ピストンの円柱状表面の周囲の輪郭を形成すると共に、下方向に垂下して形成された環状スリーブ２ａを有するクラウン２を備えてなる。使用の際、ピストン１は、チタン、アルミニウム、鋼鉄、マグネシウム合金、プラスチック又はその他すべての適した物質から製造されるガジオンピン３、連接ロッド４及びクランクピン（図示なし）を用いてクランク軸（図示なし）を回転させる。ガジオンピン３は、アルミニウムから製造された円柱状のキャリア５の内部に形成された円柱状の孔部５ａ内に締まり嵌めし、従来のサークリップ（図示なし）又はその他すべての適した手段によって軸上に保持される。これによって、キャリア５内でガジオンピン３の軸上の回転動作や縦方向の動作が防がれる。青銅とアルミニウムの合金からなるスリーブ６は、１組のアルミニウム製の円板部品（図示なし）によって、環状ピストンスリーブ２ａの下部に固定される。スリーブ６は、下記で説明されるようにキャリア５をスライド可能に支持するための支持表面を有する。キャリア５の支持表面を形成するスリーブ６が上記のような物質から製造されるのは、キャリア及びピストン１が構成されるアルミニウムと同様の膨張率を有するためである。更に、これによって接触表面の磨耗につながるアルミニウム同士のスライド接触を防ぐことができる。
【００２２】
連接ロッド４は、キャリア５に形成された概ね長方形の開口部５ｂを通過し、ガジオンピン３と接続する。長方形状開口部５ｂは、円柱状開口部５ａに対して直角に形成される。スプリング構造８は、ピストン内においてピストンクラウン２に隣接するピストン内に配置され下方に向ってドーム状に形成されたドーム状部品７と、キャリア５の上方に向ってドーム状に形成されたドーム状表面５ｃとの間に配置される。ドーム状部品７は、ピストンクラウン２に隣接する中空のピストン１内に押し込み式に係合する部品である。
【００２３】
スプリング構造８は、チタン１０−２−３からなる２つの同一の平面円板スプリング９と、硬化鋼からなるバンド１０と、硬化鋼からなる１組の環状部品１１とから構成される（図２参照）。硬化鋼製の環状部品１１は、鋼製のバンド１０によって形成される補完的な湾曲に形成された表面１０ａと回転接触するように、円板スプリング９の縁部の周囲に摩擦嵌合を行う。このように、バンド１０及び環状部品１１は円板スプリング９を支持しつつ他の部品から隔てて配置する。
【００２４】
キャリア５の下方端部は、ガジオンピン３によって連接ロッド４に固定され、ピストン１はキャリアに関連して軸上に移動が可能であるので、これによってガジオンピン３及びクランクピンに関連して移動可能となる。このような配置は、ピストンクラウン２がシリンダーのすき間容積高さ（ピストンクラウン２の平均高さと燃焼室の頂部の平均高さとの間の距離）とほぼ同様の最大距離だけクランクピンの方向に移動することが可能となっている。このように、スプリング手段８は連接ロッド４をピストンクラウン２から引き離すように付勢する。
【００２５】
鋼製のバンド１０には、水平及び垂直方向の潤滑孔部１２が、鋼同士の回転動作が十分円滑に行われるように形成される。従来の潤滑孔部（図示なし）は、連接ロッドの小端と、ガジオンピン３と、キャリアの接触領域とをスリーブ６と潤滑化するために、ドリルされたオイル・パッセージ（図示なし）が形成されたキャリア５の上方に油が向けられるように、下方の油制御環状部品（図示なし）の領域に形成されてなる。
【００２６】
使用の際は、従来の時限手段（図示なし）によって、点火燃焼力によって生じる膨張ガスが動力行程においてピストン１をシリンダー内で急激に降下させるように、上死点より所定の時間だけ前に生じるよう点火のタイミングが計られる。しかし、上死点に達する前にシリンダー内の圧力は高い数値にまで上昇し、スプリング構造８が加える力に逆らって、ピストン１はキャリア５に対してクランクピンに向って付勢される。これによってスプリング構造８は圧縮され、ピストン１の上部の容積を増加し、結果的にシリンダー内の圧力及び温度を低下させる。
【００２７】
燃焼の間は圧力が加えられるため、上方の円板９は下方に向って凹むと共に、下方の円板がそれと補完的に上方に向って凹む。円板スプリング９の屈曲動作によって、鋼製の環状部品１１は円周の軸を中心として回転し、鋼製バンド１０の湾曲した表面１０ａにおいて回転する。ピストン１の上部のシリンダー容積は最大圧力において倍増し、これによってさもなければシリンダー壁部を通して熱として失われるエネルギーをスプリング構造８に蓄積するように、円板スプリング９が移動することでピストンクラウン２を連接ロッドとキャリア５に対して下降可能とする。更なるトルクを生み出すために、蓄積されたエネルギーはクランクがより好適な角度にあるときに放出される。
【００２８】
スプリング構造８とドーム状表面５ｃ及び７は、燃焼の最大圧力時においてドーム状表面が円板スプリングの外表面の概ね全体と係合した状態で、ドーム状表面が円板スプリング９を完全に逸らすように設計される。同時に、円板スプリング９の内表面は辛うじて接触するよう設計され、これによって円板スプリングに過度の応力が加わることが防がれ、よってこれによる早期故障も防がれる。最大圧縮は点火後の圧力とクランク軸の動作によって異なり、スプリング構造８は過度に応力が加わる前に必要とされる最大圧力に達するよう適切に設計される。
【００２９】
スプリング構造８が圧縮されると、その剛性によって加えられている力に反発し、この剛性はニュートン・メートル変位によって測定される。スプリング構造８の圧縮により生じる温度の低下は、圧力がシリンダーすき間容積とスプリング構造８との間で平等に振り分けられることで、放射損失や冷却水によって奪われ、結果的に排出される熱を減少させる。スプリング構造８に蓄積されたエネルギーはピストン１が上死点を超過すると放出され、さらなる出力トルクの生成につながる。これは、スプリング構造８によってエネルギーが放出され、クランクアームがトルクを生成するのにより好適な角度にある時、そのエネルギーが上死点後にシリンダー圧力と合わさることによって達成される。最適性能を得るためには点火された燃料と空気の混合気体は上死点の１２度後に最高圧力に達しなければならないという要件の結果として生まれた、点火された燃料と空気の混合気体は上死点前に点火されなければならないという事実によれば、本来ならばこの蓄積されたエネルギーのほとんどが熱として失われている。その機械的及び熱的性質から、円板スプリングを製造する物質として好ましいのはチタン１０−２−３であるが、同様の機械的及び熱的性質を有する物であれば他のすべての物質が用いられてもよい。
【００３０】
このような設計の作用としては、エンジンが通常通り作動すると、動力行程毎に連接ロッド４に関連して（ひいてはそのクランクピンとも関連して）ピストン１が運動するということである。エンジンの点火のタイミングとしては、エンジンの負荷及び速度によって、上死点の前、約１０度〜４０度の間で点火が行われる。
【００３１】
エネルギー蓄積スプリング構造８を備える効果の１つは、動力出力を減少させることなくエンジン燃料の消費を大幅に減らすことができる点である。圧縮率を調整しなくとも最低でも３０％の改善が達成され、圧縮率調整を行うと最高６０％の改善が図れる。
【００３２】
改善されるのはエンジンの効率ばかりでなく、排気物質も削減することができる。このように、燃料消費を低減することで排気物質の量が削減できる。（圧縮率を上げなかった場合）燃焼時の温度を低下させることで亜酸化窒素排出が大幅に削減でき、またエンジンの効率を改善することで炭化水素排出が削減できる。
【００３３】
標準的な内燃エンジンにおいて、排気ガスが燃焼室から効率的に排出されるべく、増加し続けるガスを排気孔から押し出し、これによってバルブ・オーバーラップ（入口バルブと出口バルブの両方が開口されている状態）の間にシリンダーに新しい燃料及び空気を流入することを援助するために、通常排気バルブは対応するピストンが下死点（ＢＤＣ）に達する前に開口される。早期に排気バルブを開くと、未燃の炭化水素の排出を促進し、ガスは大気中に放出されるため、増加し続けるガスによってクランク軸が機械的回転を行うことが防がれる。しかし、スプリング構造８を用いると、燃料と空気の混合気体をより効率的に使用可能とするだけでなく、改良された圧縮率で用いると、下死点に達する直前まで排気バルブが閉口するように設計されたカム軸を使用することも可能となる。よって、シリンダー内のすき間容積は大幅に縮小され、排気バルブを早期に開口することでシリンダー内の圧力を低下させることなく、燃焼室からほぼすべての排気ガスを効率的に排出することができる。このような排気バルブの開口を遅延するカム設計は、スプリング構造８を用いたすべてのエンジンで好適に応用できる。
【００３４】
エンジンの多くのフライホイールと連結されたスプリング構造８を使用することで、構造全体に共振する周波数（毎分回転数）が加えられる。このような特性は、一定の速度で作動するように設計されたエンジンにおいて使用される際に生かすことができる。
【００３５】
エンジンの効率を改善し、排気物質を削減するうえでの原理は本出願人のイギリス特許第２３１８１５１号の明細書に記載されており、そのピストンのすべての有益性を上記のピストン１は備えてなる。
【００３６】
上記のピストン１は、本出願人の特許文献３の明細書に説明されているピストンのすべての有益性を備えてなる。また、本出願人の特許文献４の明細書に説明されている改良された長方形のベローズスプリングと比較しても、上記ピストンはさらなる有益性を有する。詳細には、上記スプリング構造８は長方形のベローズスプリングよりも遥かに小さいので、ピストンクラウン２とキャリア５の上面部の間の空間に収めることができる。更に、より小さく形成されることで、使用するチタンがより少量ですみ、ピストンに要するコストの削減につながる。また更に、ピストンのクラウン側の端部に全体として配置されるスプリング構造８を用いることで、キャリア５が改良された長方形のベローズスプリング設計におけるようなチタンではなく、アルミニウムから製造されることが可能となり、更なるコスト削減につながる。
【００３７】
また、上記スプリング構造８は長方形のベローズピストンよりも遥かに軽量で、その設計が単純であることから、製造工程がより経済的で迅速且つ容易となる。更に別の利点として、現在使用されているピストン設計は上記スプリング構造８に対応するように簡単に改良を加えることができるため、エネルギー蓄積ピストンのより改善した効率と燃料保存の性能を利用するべく、既存の内燃エンジンを改良することを可能とする。
【００３８】
上記に説明されたピストン１の更なる利点は、ピストン本体内においてキャリア５が軸上配置された状態で確固に保持されることである。このため、連接ロッド４がピストン１との軸上整列から逸れることによって非軸上の負荷がキャリア５にかかると、キャリアは概ね横方向の推力を受ける。シリンダー孔内においてピストン１がぴったりと合致し、スリーブ６内にキャリア５が確固とスライド式に嵌合するため、キャリア５はピストン本体内において確固とした軸上配置の状態が維持される。結果として、キャリア５は磨耗に対して相当の抵抗力を有する。
【００３９】
上記のピストン１の重要な要素は、スプリング構造８によってスプリング速度が向上し、より軽い負荷に対して比例的に更なる偏向を与えることを可能とする点である。結果として、高い負荷よりも低い若しくは中位の負荷が与えられた際に、経済的有利性がより顕著に現れるように、従来の自動車の内燃エンジンにおけるピストンの通常負荷により適する。また代案的には、スプリング構造８は重い負荷における使用に適応するよう必要に応じて設計されてもよい。
【００４０】
また円板スプリング９に接触し、内側がドーム状に形成された表面の利点は、ピストン本体内においてより広い垂直な空間が得られ、強度や信頼性を犠牲にすることなく、すべての必要な部品を効率的に内包することが可能となることである。
【００４１】
円板スプリング９を製造する上でチタンを用いることの更なる利点は、以下の点である。
１．チタンはアルミニウムよりも高密度ではあるが、その高強度により必要とされる実際の物質は少量ですむため、ピストン１の重量はアルミニウムを使用したピストン設計と同程度である。
２．油潤滑が行われた場合の摩擦係数は油潤滑された炭素鋼を用いた場合よりも低いため、未加工のチタンを用いる際に生じる磨耗の問題は表面処理を施すことによって解消される。
３．スプリング構造８を用いることで、全負荷での応力数値を超過することなく、より大きなスプリング力を付すことが可能となり、耐久性を伸ばすことができる。
【００４２】
上記に説明されたエネルギー蓄積ピストンは内燃エンジンの一部を形成するが、冷蔵庫やポンプのための圧縮機などのその他の装置において有利に使用されることができることは明白である。往復圧縮機の動作は、圧縮行程が働き行程となっており、エネルギー入力は通常電気モーターによって行われる。例えば、空気圧縮機において最大働きは上死点よりも大体８０度から１００度前の、クランクアームが連接ロッドに対して概ね法線に位置する状態で行われる。この位置では、圧縮室の容積が依然として比較的高いため、圧縮ガスの圧力は比較的低くなる（最大時の５０％以下）。しかし、ピストンが上死点に近づくと作業を行う機能が大幅に低下するが、圧力及び温度の両方は最となる。圧縮機の出口バルブが上死点に達する前に開口されても、その時には既にエネルギーは熱としてシリンダー壁部に放出されてしまっている。
【００４３】
しかしながら、もし上記に説明されたようなスプリング構造を有する適切に設計されたエネルギー蓄積ピストンが圧縮機に取り付けられたならば、エネルギーは上死点よりも大体８０度から１００度前にスプリングに蓄積され、これによってガスの温度及び圧力が低下し、シリンダー壁部や貯蔵部（ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ）などに熱として放出されるエネルギーが削減される。スプリング構造は、クランクアームの圧縮運動が最も小さくなる、上死点前後においてガスを貯蔵部に推進することでそのエネルギーを放出する。
【００４４】
更に、（フライホイール、クランク等の）回転する慣性質量と連動して動作するスプリング構造は、共振する毎分回転数（ｒｐｍ）を有する。駆動モーターの毎分回転数を共振毎分回転数に合わせることで、スプリング構造は標準的な圧縮機の最適効率よりも少なくとも３０％上の最適効率で作動する。
【００４５】
上記で説明されたピストンに改良を加えることが可能であることは明らかである。例えば、別個のドーム状部品７を具備させる代わりに、ピストンクラウン２の内側表面をドーム状表面として形成することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明に応じて構成されたエネルギー蓄積ピストンの断面図である。
【図２】図１におけるスプリングの一部の拡大図であり、圧縮されていない状態のスプリングを示す。
【符号の説明】
【００４７】
１      ピストン
２      クラウン
２ａ    スリーブ部
３      ガジオンピン
４      連接ロッド
５      キャリア
５ａ    円柱状開口部
５ｂ    長方形状開口部
５ｃ    ドーム状表面
６      スリーブ部
７      ドーム状部品
８      スプリング構造
９      円板スプリング
１０    バンド
１０ａ  湾曲表面
１１    環状部品
１２    油潤滑孔部
【図１】
2006522895.tif 000003
【図２】
2006522895.tif 000004
【手続補正書】
【提出日】平成16年8月26日(2004.8.26)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピストンとそれに対応する連接ロッドの間において、連接ロッドをピストンクラウンと逆方向に付勢するように作用するスプリング手段が組み込まれたピストンであり、
上記スプリング手段は、その円周の縁部が概ね環状の支持部品によって他の部品と分離するように支持された１組の円板スプリングから構成され、また上記ピストンクラウンの領域に概ね配置されると共に、ピストンの横断面の概ね全体に延長され、更に上記ピストンクラウンを連接ロッドに関連して軸上に移動可能とされ、
上記支持部品は、上記円板スプリングの円周の縁部に固定された個々の環状部品と、該環状部品と回転して係合するように湾曲した支持表面を有して形成された環状バンドとによって構成されることを特徴とするピストン。
【請求項２】
上記環状部品及び環状バンドは、硬化鋼からなることを特徴とする請求項１に記載のピストン。
【請求項３】
上記環状バンドには、油潤滑孔部が形成されてなることを特徴とする請求項１又は２に記載のピストン。
【請求項４】
上記円板スプリングはチタン１０−２−３からなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のピストン。
【請求項５】
上記ピストンの内側にはキャリアが配置されてなり、該キャリアは上記ピストンに関連して軸上運動を行うべくピストン内においてスライド可能に取り付けられ、上記スプリング手段によって上記ピストンのクラウンが上記キャリアと関連して軸上に移動可能となるように上記連接ロッドに接続されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のピストン。
【請求項６】
上記キャリアには、上記ピストンクラウンから離れて配置される円板スプリングと係合可能なドーム状表面が形成されてなり、上記ピストンクラウンには隣接する円板スプリングと係合可能なドーム状表面が形成されてなることを特徴とする請求項５に記載のピストン。
【請求項７】
上記２つのドーム状表面は相互の鏡像であることを特徴とする請求項６に記載のピストン。
【請求項８】
上記キャリアはアルミニウムからなることを特徴とする請求項４〜７のいずれか１項
に記載のピストン。
【請求項９】
上記キャリアは、上記ピストンの円柱状の壁部のクラウンから離れた端部の内側に固定されたスリーブ内にスライド可能に取り付けられることを特徴とする請求項４〜８のいずれか１項に記載のピストン。
【請求項１０】
上記スリーブは青銅とアルミニウムの合金からなることを特徴とする請求項９に記載のピストン。
【請求項１１】
ピストンとそれに対応する連接ロッドの間において、連接ロッドをピストンクラウンと逆方向に付勢するように作用するスプリング手段が組み込まれたピストンであり、
上記スプリング手段は、その円周の縁部が概ね環状の支持部品によって他の部品と分離するように支持された１組の円板スプリングから構成され、また上記ピストンクラウンの領域に概ね配置されると共に、ピストンの横断面の概ね全体に延長され、更に上記ピストンクラウンを連接ロッドに関連して軸上に移動可能とされ、上記ピストンには、ピストンクラウンから離れて配置される円板スプリングと係合可能なドーム状表面が形成され、上記ピストンクラウンには隣接する円板スプリングと係合可能なドーム状表面が形成されてなることを特徴とするピストン。
【国際調査報告】
2006522895.tif 000005
2006522895.tif 000006