(57)【要約】【課題】内燃機関用ピストンの冷却性能を高める。【解決手段】本発明は、ピストン軸部（３）と、ピストン頭部（４）とを備え、該ピストン頭部（４）には、その内部に冷媒（６）が配置される冷却用閉流路（５）が設けられた、内燃機関（２）用のピストン（１）に関する。このピストン（１）において、ピストン軸部（３）は、ボール状であり、且つ円形の断面を有する形状とされる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピストン軸部（３）と、ピストン頭部（４）とを備え、該ピストン頭部（４）には、その内部に冷媒（６）が配置される冷却用閉流路（５）が設けられた、内燃機関（２）用のピストン（１）であって、
前記ピストン軸部（３）は、ボール状であり、且つ円形の断面を有する形状とされ、
ピストン径（Ｄ）の真円度は、０．５パーミルよりも小さい
ことを特徴とするピストン。
【請求項２】
請求項１に記載されたピストンにおいて、
前記冷却用閉流路（５）は、ピストンクラウン（１３）付近の領域において、トップランド（１４）に向かうよう、径方向の外方に膨出している
ことを特徴とするピストン。
【請求項３】
請求項１又は２に記載されたピストンにおいて、
前記ピストン（１）は、上側部材（１７）と、該上側部材（１７）に対して特に溶接によって接続された下側部材（１８）との２つの部品から構成され、
前記冷却用閉流路（５）の一部は、前記上側部材（１７）に形成されている一方、その他部は、前記下側部材（１８）に形成されている
ことを特徴とするピストン。
【請求項４】
請求項３に記載されたピストンにおいて、
前記冷却用閉流路（５）は、ミーリング加工及び／又はボア（２０）を用いることによって、前記ピストン軸部（３）に向かって拡大されている
ことを特徴とするピストン。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか１項に記載されたピストンにおいて、
ピストン裏面（２２）における前記冷却用閉流路（５）付近の領域には、該ピストン裏面（２２）から突出する複数のリブ（２５）が配設されている
ことを特徴とするピストン。
【請求項６】
請求項５に記載されたピストンにおいて、
前記複数のリブ（２５）は、プレス加工、又は、鍛造加工によって形成されている
ことを特徴とするピストン。
【請求項７】
請求項５又は６に記載されたピストンにおいて、
前記複数のリブ（２５）は、それぞれ、ピストン中心軸（８）に対して実質的に径方向に延設されており、及び／又は、
前記複数のリブ（２５）の各々の間には、複数のリセス（２３）が配設されており、前記ピストン裏面（２２）から突出している前記複数のリブ（２５）の体積は、前記ピストン裏面（２２）に凹設された前記複数のリセス（２３）の容積に対応している
ことを特徴とするピストン。
【請求項８】
請求項１から７のいずれか１項に記載されたピストンにおいて、
前記ピストン（１）は、鋼鉄製のピストン、又は、灰色鋳鉄から成る鋳造ピストンとして構成されており、及び／又は、
前記冷媒（６）は、ナトリウム及び／若しくはカリウム、又は、水を有している
ことを特徴とするピストン。
【請求項９】
少なくとも１つのシリンダを有するエンジンブロックを備えた内燃機関（２）であって、
前記シリンダには、請求項１から８のいずれか１項に記載されたピストン（１）が配設されている
ことを特徴とする内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の前提部に記載されたように、ピストン軸部及びピストン頭部を備えた内燃機関用ピストンに関する。さらに、本発明は、そのようなピストンを少なくとも１つ備えた内燃機関にも関する。
【背景技術】
【０００２】
近年のスーパーチャージャー付きディーゼルエンジンにおいては、排気量１リットルあたり６０ｋＷオーバーとなる大変高レベルな比出力に起因して、内燃機関のピストン、特にピストンクラウン（piston base）に対し、しばしば高い熱負荷が作用している。ピストンクラウンは、その燃焼室ボウルを介して燃焼室に臨んでいるため、最も高い熱負荷に耐えねばならない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
前記のような内燃機関またはディーゼルエンジンを長期に亘って運転可能とするためには、特に、ピストンに作用する熱負荷、具体的にはピストン頭部に作用する熱負荷を低減するべく、ピストンの冷却を実行することが求められる。ピストンの冷却は、シリンダ内において、具体的にはトップランドに隣接する環状溝において、ピストンの潤滑に要するオイルのコークス化を防ぐという観点からも求められる。
【０００４】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、内燃機関用ピストンにおいて、その冷却性能を高めることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明によれば、前記の課題は、独立請求項１の主題を通じて解決される。従属請求項は、有利な態様に関連する。
【０００６】
本発明は、内燃機関用ピストンのシャフト形状をデザインする上で、シリンダウォール、又は、関連するシリンダ内に配置されたシリンダライナーに対する当接面を広げることにより、ピストンの熱伝達性能、ひいては、その冷却性能を向上させることが可能となる、という基本概念に基づくものである。
【０００７】
具体的に、本発明に係るピストンは、ピストン軸部と、ピストン頭部とを備え、ピストン頭部には、その内部に冷媒が配置される冷却用閉流路が設けられる。その上、ピストン頭部には、燃焼室ボウルが配設される。
【０００８】
本発明によれば、ピストン軸部は、ボール状であり、且つ長円形の断面を有する形状とされた公知のピストン軸部とは著しく異なり、ボール状であり、且つ円形の断面を有する形状とされている。そして、ピストンの直径（以下、「ピストン径」という場合がある）の真円度は、０．５パーミルよりも小さい。
【０００９】
ここで、“ボール状（独語の「ballig」に相当）”とは、ピストンが、該ピストンの中心軸（以下、「ピストン中心軸」という）に沿って延びる樽状に構成されていること、つまり、ピストン頭部付近の領域と、ピストン軸部の下端付近の領域とにおいては、それらの間の部分と比較して、ピストンの直径が小さいことを意味するよう意図されている。 
【００１０】
一方、真円度は、ここでは常に、ピストン中心軸に対して直交する横断面において考慮されるようになっている。それゆえ、高さ方向においては、ピストンの半径は、ボール状の構成に起因して相互に異なっている。
【００１１】
ピストンの設計変更に際して、ボール状のデザインとすることで、シリンダウォール又はシリンダライナーに対して、ピストン軸部の外壁部を円形に摺接させることができる。本発明に係るピストン軸部の外壁部における、ボール状であり、且つ円形の態様によって、シリンダ又はシリンダライナーに対する接触面が拡大し、ひいてはピストンからシリンダへの熱伝達性能も向上するようになる。ここで、本発明に係るピストン軸部における、ボール状であり、且つ円形の態様によって、熱伝達性が向上し、ひいてはピストン頭部において著しく温度を抑制することができるということが、複数の試験によって既に示されている。
【００１２】
本発明に係る解決策の有利な発展形によれば、ピストン軸部の表面上に熱伝導性コーティングが配設される。熱伝導性コーティングは、例えばグラファイトの割合が増加しており、その結果、向上された熱伝導性能を有している。そうした熱伝導性コーティングによって、ピストンからシリンダへの熱伝達性能が付加的に向上されて、ひいては、ピストンの冷却性能を高めることができる。
【００１３】
本発明に係る解決策の有利な発展形によると、冷却用閉流路は、ピストンクラウン付近の領域において、トップランドに向かうよう径方向の外方に向かって膨出する。トップランドは、ピストンクラウンから、ピストンリングを収容するための第１環状溝まで延びている。本発明のように、トップランドに向かうよう径方向の外方に向かって冷却用閉流路を膨出させると、第１環状溝における温度を１０Ｋまで低減することができ、そのことで、特に、前述の第１環状溝におけるオイルカーボンの生成という問題を解決したり、少なくとも、この問題に係る影響を著しく抑制したりすることができる。付加的に又は代替的に、ピストンクラウン付近の領域において、燃焼室ボウルに向かって、つまり径方向の内方に向かって冷却用閉流路を膨出させてもよい。これにより、前述の構成と同様に、ピストンの冷却性能を高めることができる。
【００１４】
本発明に係る解決策のさらに有利な発展形によると、ピストンは、上側部材と、その上側部材に接続された（特に、溶接により接続された）下側部材との２つの部品から構成されている。ここで、冷却用閉流路の一部は上側部材に形成されている一方、その他部は下側部材に形成されている。この場合、ピストンを複数の部品から構成すると、ミーリング加工及び／又はボアを用いることで、ピストン軸部に向かって冷却用閉流路を下方向に拡大（具体的には、ピストン頭部側からピストン軸部に向かって延設することによる拡大）することができ、そのことで、ピストン軸部に向かうような作動に際して冷却用閉流路において上下に揺さぶられる冷媒からの放熱量を増加させることができる。例えばミーリング加工によって冷却用閉流路をピストン軸部に向かって拡大した場合、ピストン裏面に対応する内壁部に沿って、波形状を設けてもよい。この波形状は、表面積を拡大させることができ、ひいては熱伝達性を向上させることができる。このようなホロウ・ミーリング加工（hollow milling）は、その加工工程によって冷却用閉流路の内底面に波形状をもたらすところ、そうしたホロウ・ミーリング加工に加えて、ピストン軸部の内部に向かって著しく深く延び、ひいては放熱量をさらに向上させる付加的なボアを設けてもよい。
【００１５】
本発明に係る解決策の有利な発展形によれば、ピストン裏面における冷却用閉流路付近の領域に、そのピストン裏面から突出する複数のリブを配設してもよい。これらのリブは、好ましくは、ピストン軸部の内壁部から該内壁部とピストンクラウンとの接続部にかけての領域にのみ延設されており、種々の機能を有している。すなわち、一方では、複数のリブによって、その表面積が少なくとも１．２倍〜２倍に拡大する。これにより、下方から噴射されるオイルとの熱伝達を向上させ、ひいては、放熱量を増加させると共にピストンの全体的な冷却性能を高めることができる。他方、これらのリブは、中心軸をまたいで反対側へ向かうよう、噴射されたオイルを案内する。加えて、オイル用の噴射ノズルが斜めに位置決めされることから、上死点から下死点にかけて移動するピストンの位置に応じて、オイルジェットの衝突位置を移動させることができ、そのことで、取り分け均一な冷却を実現することができる。ここで、冷却用開流路を用いたのでは、そうした方法を実施することはできない。なぜならば、そのような流路を用いた場合、十分な量のオイルを冷却用開流路に対して常時供給可能とするべく、オイルジェットは、常に冷却用開流路の供給口を指向しなければならないからである。
【００１６】
複数のリブは、プレス加工、又は、鍛造加工（stamping/forging）によって形成される、とすれば有効である。リブと、リブの間に配置されるリセス（窪み部）とは、ピストンの製造に際して、多大な追加費用を招くことなく形成することができる。そのため、プレス加工、又は、鍛造加工用の金型は、適宜、簡素に適合されなければならない。
【００１７】
本発明に係る解決策の別の有利な態様によれば、複数のリブは、それぞれ、ピストン中心軸に対して実質的に径方向に延設されている。ここで、付加的に又は代替的に、各リブの間に前述のリセスを配設してもよい。ピストン裏面から突出する複数のリブの体積は、ピストン裏面に凹設された複数のリセスの容積に対応している。リブのプレス加工又は鍛造加工の最中、材料の流動によってごく局所的に、リセスとのリブとの間で体積の埋め合わせが発生する。そのため、鍛造ツールには、ごく僅かな負荷が加わるか、或いは、全くもって負荷が加わらないことになる。そのことで、ツールの耐用年数に影響を及ぼさないか、或いは、取るに足らない程度の悪影響を及ぼすことになる。
【００１８】
好ましくは、冷媒として、例えばナトリウム及び／又はカリウムが使用される。特に、これらの混合物も考えられる。この混合物は、例えば−１２℃で液体となり、内燃機関の運転中には、ピストンの往復動によって揺さぶられることになる。これにより、この混合物は、ピストンクラウンから熱を吸収し、ひいては吸収した熱をピストン軸部に放出する。これに代えて、冷媒として水を使うこともできる。水の使用は、費用対効果に優れ且つ、よりシンプルな封入設備を用いることができるという点で有利である。その上、水はどこでも利用可能であり、人体および環境に危害を及ぼすこともない。ここで、その作動原理は、大量の熱を輸送可能なヒートパイプに類似した基礎を有している。そうした“ヒートパイプ”は、冷媒（作動媒体）の蒸発エンタルピー及び凝縮エンタルピーを利用するものである。水は、冷却用閉流路の上方領域（ピストンクラウンと、燃焼室ボウルの壁部とに対応する領域）において蒸発する一方、冷却用閉流路の下方領域において凝縮するようになっており、熱は、例えばピストン軸部に放出される。冷媒の温度が高まるにつれて圧力が徐々に高くなるため、それに対応するように構成されたクロージャ要素、例えば、３５０バールまでの圧力に耐える“ＫＯＥＮＩＧ−ＥＸＰＡＮＤＥＲ（商品名）”を使用するべきである。さらに、水はナトリウムやカリウムと比較して熱伝導性能に劣り、且つ蒸発エンタルピー及び凝縮エンタルピーのみが重要な要素となることから、水の封入量に関しては、的確に注意を払わねばならない。水を介した熱の伝達を可能な限り妨げないようにするためには、作動行程に際してピストン１に導入される最大エネルギーによって、その大部分が可能な限り蒸発するような水量と実質的に同程度の水量を冷却用閉流路において利用可能とすれば有効である。したがって、ピストンにおいて熱せられた箇所から、より冷たい領域へ熱を伝達するためには、典型的には、冷却用閉流路の容積に対して、０．０１％から１０％にかけての封入量とすれば十分である。この方法の作用は、水の物理的な性質と結びついている。すなわち、液相から気相へと相転移する際には熱が吸収される一方、それとは反対に、水蒸気が凝縮するときには、外部へ熱が放出される。臨界温度を超えると相転移が生じないため、この作用は、高温側では３７４℃の最大温度（臨界温度）が限度となっている。低温側では水の融点である０℃が限度となっている。特に鋼鉄製のピストンを用いた場合、エンジンの運転中には、この温度範囲から脱しないことがわかっている。典型的には、１００℃から３００℃に亘る温度が観測されている。冷却用閉流路付近の領域において、より良好な壁厚に至る構成では、もちろん、圧力下での冷却用閉流路の膨張の度合いが考慮されなければならない。ここで、圧力は、各々のエンジンの設計に応じて、典型的には、５０バールから１００バールの範囲で変化する。高レベルな比出力においては、塩類や、熱伝導性に優れた粉末（例えば、銅、アルミニウム若しくは硅素、又は、スズ、Ｓｎ−Ｂｉ共晶、ビスマス及びガリウムなどの低融点金属）を加えた結果、水の沸騰力が著しく向上すると共に、膜沸騰を、より大きな熱流量密度に取って代えることができる、ということがわかっている。そうでなければ、１０００ｋＷ／ｍ２程度の熱流量密度から膜沸騰が生じることになる。
【００１９】
本発明のさらなる重要な特徴及び利点は、従属請求項の記載、図面、及び図面を用いた説明から理解されよう。
【００２０】
もちろん、前述の特徴、及び以下に説明される特徴は、記載された各々の組み合わせに限定して用いることができるのではなく、他の組み合わせであっても、又は、それら単独であっても本発明の範囲から逸脱することなく用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】図１は、本発明に係るピストンの断面図であり、左右各々が互いに異なる断面を示す図である。
【図２】図２は、ボール状であり、且つ円形の断面を有する形状を互いに異なる断面によって概略的に示す図である。
【図３】図３は、本発明に係るピストンの断面図であり、左右各々が図１とは異なる断面を示す図である。
【図４】図４は、複数のリブが設けられた本発明に係るピストンを下方から見て示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本発明の好ましい例示的な態様は、図面に示されており、以下の記載によってさらに詳細に説明される。各図において同じ又は類似の若しくは機能的に同じ部品には、同じ符号を付している。
【００２３】
図１〜４に示す構成例において、ピストン１は、鋼鉄製のピストン、又は、灰色鋳鉄から成る鋳造ピストンとして構成されており、内燃機関２に設けられるようになっている。具体的に、この内燃機関２は、少なくとも１つのシリンダを有するエンジンブロックを備えており、ピストン１は、そのシリンダに配設されている。
【００２４】
詳しくは、図１及び図３に示すように、本発明に係るピストン１は、内燃機関２（図３においてのみ、非常に概略的に示す）用のピストンであって、ピストン軸部３と、ピストン頭部４とを備え、ピストン頭部４には、冷媒６が配置される冷却用閉流路５が設けられている。さらに、ピストン頭部４には、燃焼室ボウル７も配設されている。
【００２５】
本発明によれば、ピストン軸部３は、ボール状であり、且つ円形の断面を有する形状（図２も参照）とされている。ここで、ピストン１の中心軸には符号８が割り当てられており、ピストン径Ｄの真円度は、０．５パーミルよりも小さい。
【００２６】
“ボール状”であるとは、図２の左図に示すように、ピストン１が、ピストン中心軸８に沿って延びる樽状に構成されていること、つまり、ピストン頭部４付近の領域と、ピストン軸部３の下端付近の領域とにおいては、それらの間の部分と比較してピストン径Ｄが小さいことを意味するように意図されている。真円度は、この構成例においては常に、ピストン中心軸８に垂直な横断面において考慮されるように意図されている。半径Ｒは、高さＨ方向にかけてはボール形状に起因して相互に異なっている一方、一横断面上においては同一となっている。
【００２７】
尚、“ピストン径Ｄ”とは、前述の横断面におけるピストン１の直径を指し、“半径Ｒ”とは、同横断面におけるピストン１の半径を指す。
【００２８】
図２の左図より、ピストン中心軸８に係るボール形状が、ピストン軸部３の上端部及び下端部９においては、例えばピストン軸部３の中央領域１０よりも小さな径Ｄを有していることが見て取れよう。図２の右図には、ボール状であり、且つ円形の断面を有する形状と、ボール状であり且つ長円形の断面を有する形状（従来技術によって公知の形状）との比較が例示されている。ボール状であり且つ円形の断面を有する形状は、この例においては実線で示されている一方、従来技術に係るピストンにおけるピストン軸部として公知となっている、ボール状であり且つ長円形の断面を有する形状は破線で示されている。結果的に、本発明に係るピストン軸部３における、ボール状であり且つ円形の断面を有する形状は、各高さレベルＨにおいては一定となる半径Ｒを有する円形の断面形状によって特徴付けられる。
【００２９】
本発明に係るピストン軸部３における、ボール状であり、且つ円形の断面を有する形状に起因して、シリンダウォール１０（図３参照）上でのピストン軸部３の摺動性、又は、シリンダ内にシリンダライナー１１が配置されているならば、そのシリンダライナー１１上でのピストン軸部３の摺動性を向上させることができるばかりでなく、特に、当接面、つまり、ピストン軸部３と、シリンダウォール１０又はシリンダ内に配置され得るシリンダライナー１１との間の接触面を広くすることが可能となり、そのことで、熱伝達性能を向上させることができる。従来技術によって既に公知となっている、ボール状であり、且つ長円形のピストンを用いた場合、シリンダウォール又はシリンダライナーに対して、ピストン軸部の表面の一部のみが接触することになる。そのことで、ピストンからシリンダへ放出される熱量は少量となり、その結果、ピストンの冷却性能は、著しく抑制され得る。
【００３０】
図１及び図３をさらに考慮すると、冷却用閉流路５は、ピストンクラウン１３付近の領域において、径方向の外方に向かって、つまりトップランド１４に向かうよう膨出していることが見て取れよう。或いは、冷却用閉流路５は、そうした膨出部１５を有している。これにより、第１環状溝１６における温度は、１０Ｋまで低減され得る。そのことで、オイルカーボンの生成、特に、シリンダにおいてピストン１の潤滑に要求されるオイルのコークス化という問題を解決することができる。少なくとも、この問題に係る影響を著しく抑制することができる。これに加えて、又は、これに代えて、燃焼室ボウル７に向かうよう、膨出部１５’を径方向の内側に設けてもよい。
【００３１】
図１及び図３をさらに考慮すると、ピストン１は、複数の部品から構成されていることが見て取れよう。この構成例においては、ピストン１は、上側部材１７と、その上側部材１７に接続された（特に溶接されて接続された）下側部材１８との２つの部品から構成されており、冷却用閉流路５の一部は上側部材１７に形成されている一方、その他部は下側部材１８に形成されている。上側部材１７及び下側部材１８は、この構成例においては、例えば摩擦圧接やレーザ溶接された接合面１９に沿って互いに接続されている。冷却用閉流路５を下方向に拡大可能とするべく、ピストン軸部３の下端部９付近の位置（図１参照）まで可及的に延び、ひいてはピストン軸部３付近の領域への放熱性能を向上させるボア２０が付加的に設けられている。冷却用閉流路５は、付加的に又は代替的に、ミーリング加工、例えばホロウ・ミーリング加工を用いて拡大されてもよい。これにより、冷却用閉流路底部２１において、その加工工程に起因した典型的な波形状が形成される。そうした波形状を冷却用閉流路底部２１に形成すると、その表面積を拡大させることができ、ひいては熱伝達性能を向上させることもできる。
【００３２】
これに加えて、又は、これに代えて、ピストン裏面２２（図１、図３及び図４から見て取れるように、ピストン１における下側の側面を指す）に、複数のリブ２５を配設してもよい。これら複数のリブ２５は、好ましくは、ピストン裏面２２における冷却用閉流路５付近の領域に配設され、且つ該ピストン裏面２２から突出するよう構成される。これら複数のリブ２５は、さらに好ましくは、ピストン軸部３の内壁部から、その内壁部とピストンクラウン１３との接続部にかけての領域にのみ延設されている。これらのリブ２５は、一方では、表面積を少なくとも１．２倍〜２倍に拡大する機能を有しており、それにより、下方から噴射されるオイルとの熱伝達性能を向上させることができる。他方、これらのリブ２５は、中心軸（ピストン中心軸８）をまたいで反対側へ向かうように、噴射されたオイルを案内する。加えて、噴射ノズルが斜めに位置決めされているため、図４の両矢印２４に示すように、ピストン１の位置に応じてオイルジェットの衝突位置を移動させることができる。そうして、各リブ２５をまたいだオイルジェットの連続的な前後動を用いることによって、取り分け均一な冷却を実現することができる。この場合、オイルジェットの移動は、ピストン１の上死点ＯＴと下死点ＵＴとの間で行われる、ピストン１の往復動によってもたらされる。ここで、リブ２５は、好ましくは、熱間成型工程において、対応する鍛造用又はプレス用の金型を用いたプレスによって、プレス加工又は鍛造加工される。この場合、リブ２５（特に、その断面形状）を、丸みを帯びるように構成したり、シヌソイド状に形成したりする限りにおいては、取り分け良好で且つ簡素な方法によって実現されることが理解されよう。
【００３３】
好ましくは、冷却用閉流路５における冷媒６として、例えば、ナトリウム及び／又はカリウムが使用される。特に、これらの混合物も考えられる。この混合物は、例えば−１２℃で液体となり、内燃機関２の運転中にはピストン１の往復動によって揺さぶられることになる。これにより、この混合物は、ピストンクラウン１３から熱を吸収し、ひいては吸収した熱をピストン軸部３に放出するようになっている。これに代えて、冷媒６として、水を使うこともできる。水の使用は、費用対効果に優れ且つ、よりシンプルな封入設備を用いることができるという点で有利である。その上、どこでも利用可能であり、人体および環境に危害を及ぼすこともない。ここで、作動原理は、冷媒６の蒸発エンタルピー及び凝縮エンタルピーの使用に基づくものである。水は、冷却用閉流路５の上方領域（ピストンクラウン１３及び燃焼室ボウル７に対応する領域）において蒸発する一方、冷却用閉流路５の下方領域において凝縮するようになっており、熱は、例えばピストン軸部３に放出されるようになっている。前記の作動原理は、大量の熱を輸送可能なヒートパイプに類似している。そうした“ヒートパイプ”は、冷媒（作動媒体）の蒸発エンタルピー及び凝縮エンタルピーを利用するものである。冷媒６として水を使用したとき、水はナトリウムやカリウムと比較して熱伝導性に劣り、且つ蒸発エンタルピー及び凝縮エンタルピーのみが重要となることから、水の封入量に関しては、的確な注意を払わねばならない。水を介した熱の伝達を可能な限り妨げないようにするためには、作動行程に際してピストン１に導入される最大エネルギーによって、その大部分が可能な限り蒸発するような水量と実質的に同程度の水量を冷却用閉流路５において利用可能とすれば有効である。したがって、ピストン１において熱せられた箇所から、より冷たい領域へ熱を伝達するためには、典型的には、冷却用閉流路５の容積に対して、０．０１％から１０％の封入量とすれば十分である。この方法の作用は、水の物理的な性質と結びついている。すなわち、液相から気相へ相転移する際には熱が吸収される一方、それとは反対に、水蒸気が凝縮するときには、外部へ熱が放出される。臨界温度を超えると相転移が生じないため、この作用は、高温側では３７４℃の最大温度（臨界温度）が限度となっている。低温側では水の融点である０℃が限度となっている。特に鋼鉄製のピストンを用いた場合、エンジンの運転中には、この温度範囲から脱しないことがわかっている。典型的には、１００℃から３００℃に亘る温度が観測されている。冷却用閉流路５付近の領域において、より良好な壁厚に至る構成では、もちろん、圧力下での冷却用閉流路５の膨張の度合いが考慮されなければならない。ここで、圧力は、各々のエンジンの設計に応じて、典型的には、５０バールから１００バールの範囲で変化する。
【００３４】
これに加えて、高レベルな比出力においては、塩類や、熱伝導性に優れた粉末（例えば、銅、アルミニウム若しくは硅素、又は、スズ、Ｓｎ−Ｂｉ共晶、ビスマス及びガリウムなどの低融点金属）を加えた結果、水の沸騰力が著しく向上すると共に、膜沸騰を、より大きな熱流量密度に取って代えることができる、ということがわかっている。そうでなければ、１０００ｋＷ／ｍ２程度の熱流量密度から膜沸騰が生じることになる。
【００３５】
図４を考慮すると、複数のリブ２５は、ピストン中心軸８に対して略径方向に延設されていると共に、複数のリブ２５の各々の間には、複数のリセス２３が配設されていることが見て取れよう。ここで、ピストン裏面２２から突出している複数のリブ２５の体積は、ピストン裏面２２に凹設された複数のリセス２３の容積に対応している。リブ２５のプレス加工、又は、鍛造加工の最中、材料の流動は、局所的に生じるに過ぎない。そのため、鍛造ツールには、ごく僅かな負荷が加わるか、或いは、全くもって負荷が加わらないことになる。そのことで、ツールの耐用年数に影響を及ぼさないか、或いは、取るに足らない程度の悪影響を及ぼすことになる。これにより、リブ２５又はリセス２３を、可能な限り費用対効果に優れた方法で導入することができる。
【００３６】
本発明に係るピストン１、及び、そのボール状であり且つ円形の断面を有する形状を用いると、ピストン軸部３付近の領域において、内燃機関のシリンダライナー１１又はシリンダウォール１０に対する当接面を拡大することができる。そのことで、ピストン１の熱伝達性能を向上させ、ひいては冷却性能を高めることが可能となる。このことは、特に排気量１リットルあたり６０ｋＷオーバーの比出力を有する高過給のスーパーチャージャー付きディーゼルエンジンにおいて、おおいに有効となる。
【００３７】
ピストン軸部３における、ボール状であり、且つ円形の断面を有する形状に加えて、例えば、リブ２５、ボア２０及び膨出部１５など、ピストン１の冷却を促進する他の手段を累加的に又は代替的に適用することができる。
【符号の説明】
【００３８】
１    ピストン
２    内燃機関
３    ピストン軸部
４    ピストン頭部
５    冷却用閉流路
６    冷媒
８    ピストン中心軸
１３  ピストンクラウン
１４  トップランド
１７  上側部材
１８  下側部材
２０  ボア
２２  ピストン裏面
２３  複数のリセス
２５  複数のリブ
Ｄ    ピストン径
【図１】
2017219045.tif 000003
【図２】
2017219045.tif 000004
【図３】
2017219045.tif 000005
【図４】
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