JP2560799B2 - ピストンの断熱部材 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明はピストン頂面を覆ってピストン頂面の断熱
性を向上させるピストンの断熱部材に係り、特にその断
熱部材を低熱膨張材料で形成したピストンの断熱部材に
関する。

［従来の技術］ セラミックと金属材料を接合する場合、両者の熱膨張
差が大きく、この熱膨張差に起因する熱応力によっては
セラミックと金属材料との接合部あるいはセラミック自
体の破壊の虞れがある。

従来このような破壊を考慮した接続方法として、セ
ラミックと同等の熱膨張率の材料でかつ高剛性をもつ緩
衝材を介して両者の接合を行い、アルミニウム製ピスト
ン自体の塑性変形で熱膨張差を吸収する（「内燃機関用
ピストン」（実開昭58−98455号公報）等）か、あるい
はその緩衝材に熱膨腸を抑制する高剛性を形状的にもた
せる方法、または低降状点の材料を緩衝材として、こ
れを介して接合することで低降状点材の塑性変形によっ
て熱膨張差を吸収する方法がある。

［発明が解決しようとする課題］ 上記，の方法を検討するとの方法では、構成材
料にタングステン，モリブデン等の高弾性材料がある
が、比重が大きくかつ高融点材料であるため価格も高く
容易に採用できない。このため低熱膨張材料であり比重
がスチールと同等のNi系合金で構成することが考えられ
るが、モリブデン等々の高弾性材料と比較してヤング係
数が1/3程度であるために、同等の剛性を得るには単純
には厚さを増して剛性を確保する必要がある。

これに対し、の方法では、代表的な材料として純ア
ルミニウムを挙げられるが、引張強度が低くアルミニウ
ム合金製のピストンには強度上の理由から採用が困難で
ある。

［課題を解決するための手段］ この発明は上記課題を解決することを目的とし、低熱
膨張材で形成されてピストン頂面を覆う断熱部材と、該
断熱部材と同程度の熱膨張率の材料で形成されて格子内
に充填されて固体化する溶融接着金属により上記頂面と
断熱部材の被着面とを連結する格子状部材とからピスト
ンの断熱部材を構成し課題を解決するための手段とした
ものである。

［作用］ 各格子内に充填する溶融接着金属でピストン頂面に断
熱部材を連結する格子状部材は、断熱部材と同程度の低
熱膨張材料から構成されているから、格子状部材、断熱
部材の連結後における熱膨張差を微小とすることができ
る。一方、熱応力、圧力等の外部荷重を各格子に分散す
る格子状部材にあっては、この格子状部材自体が所期の
構成強度を発揮するが、各格子内に溶融接着金属が充填
されてピストン頂面に一体化された状態では溶融接着金
属が固体化するから、この状態で格子状部材の剛性強度
は大巾に向上する。つまりピストンの軸方向の外部荷重
（圧力）は格子状部材及び固体化した溶融接着金属で受
け、半径方向の外部荷重（熱応力）は格子状部材で受け
ることになる。

したがって、格子状部材の構成強度を大きくして熱膨
張を抑制するか、この逆に構成強度を小さくして熱膨張
を緩衝するいずれの選択によっても断熱部材をピストン
頂面に良好に接続することが可能である。

［実施例］ 以下にこの発明の好適一実施例を添付図面に基づいて
説明する。

（実施例１） この実施例は、断熱部材と、ピストン頂面との間に介
設する格子状部材の剛性でピストン頂面と断熱部材との
接続強度を向上する例を示すものである。

第１図に示すように断熱部材１は低熱膨張率のセラミ
ックから、ピストン２の直径に対しほぼ同一直径の円盤
形状に形成される。

断熱部材１にはその被着面（ピストン頂面２に対する
接着面を指す）３に円盤部材４が一体的に接続してあ
り、格子状部材５は、その基端が円盤部材５の他面６に
一体的に接続される。円盤部材４及び格子状部材６はこ
の実施例にあっては上記断熱部材１と同程度の熱膨張率
でかつ高剛性（弾性）を有するNi系金属で構成される。

さて格子状部材５はロー付け等によって上記円盤部材
４の他面６に基端が接続されて円盤部材４を円周方向に
ほぼ等分割する半径方向の第１格子部材７と、隣接する
半径方向の第１格子部材７相互を、円盤部材５の弦方向
あるいは円周方向に沿って連結する第２格子部材８とか
ら成り、第２格子部材８は円盤部材４に対して半径方向
に間隔をおいて設けられる。つまり第２格子部材８は第
１格子部材７に対して、隣接する第１格子部材７間に、
溶融接着金属10を充填する格子９を構成する。ここで剛
性強度上，製造上から第１格子部材７の隣接相互間の間
隔Ｌは、半径方向最外部で30mm程度が好ましいが、第１
格子部材７及び第２格子部材８の形成数は、これら格子
部材7,8のリブ高さＨ、肉厚ｔから決定される断面係数
Ｚを一定として上記円盤部材４との接着後において必要
とする剛性を確保できる数とする。ただし第１格子部材
７の断面係数に対する第２格子部材８の断面係数を異な
らせても構わないが、この実施例にあっては第１格子部
材７および第２格子部材８の肉厚ｔを一定の薄肉としリ
ブ高さＨで格子状部材５の必要剛性を確保する。各第２
格子部材８には、その連結方向のほぼ中央位置に接着金
属の溶湯あるいはロー材料を半径方向に通過させて各格
子９内に溶融接着金属10を満たす開口11が形成される。
開口11は第１図に示すような穴形状であっても切り欠き
形状であっても構わない。

このように、格子状部材５を断熱部材１と同程度の低
熱膨張材料から構成し、各格子９内に溶融接着金属10を
充填すると、その溶融接着金属10が固体化して格子状部
材５が円盤部材４とピストン頂面２とを連結する状態に
あって、格子状部材５、断熱部材１の連結後における熱
膨張差を極小としつつ、熱応力、圧力等の外部荷重を各
格子部材7,8に分散させると共に、溶融接着金属10の固
体化によって格子状部材５自体の剛性強度が向上する。

つまりピストン12の軸方向の外部荷重（圧力）は格子
状部材５及び固体化した溶融接着金属10で受け、半径方
向の外部荷重（熱応力）は格子状部材５で受けることに
なる。

ところで上述の構成の円盤部材４を、ピストン12に固
着する方法としては金型等で上記格子状部材５とピスト
ン12とを同軸上に保持し、ピストン12の半径方向からア
ルミニウムあるいはアルミニウム系合金等の溶融接着金
属10の溶湯を注いで冷却させ、固着する方法、ピストン
12の鋳造成形と同時に円盤部材４および格子状部材５を
鋳込む方法（ただし加圧鋳造を含む）がある。

ところで上記格子状部材５及びこの格子状部材５を一
体とする上記円盤部材４を一体成形することも当然可能
であるが、この場合に上記開口11も同時成形することも
可能である。

このように安価で軽く、ピストン頂面２に対して接続
強度の優れたピストンの断熱部材を提供できる。

（実施例２） この実施例は、実施例１とは逆に断熱部材１と上記ピ
ストン頂面２との間の熱膨張を格子状部材15で緩衝し、
上記断熱部材１とピストン頂面２との接続強度を一定に
維持させるように構成した例を示すものである。

第２図に示すように格子状部材15はハニカム形状に形
成されて上記円盤部材４の他面６に一体的に接続され
る。

格子状部材15は実施例１の格子状部材５同様にNi系金
属材料で構成されるがこの実施例にあってはNi系金属材
料の箔材から第２図に示すように六角形状の格子19を構
成するように形成されその各格子19内に上記溶融接着金
属10を充填することによりピストン頂面２と円盤部材４
とを接続する。

以上のように各格子19内に充填する溶融接着金属10で
円盤部材４に連結される格子状部材15は、断熱部材１と
同程度の低熱膨張率でかつ高弾性をもつ材料から構成さ
れているから、ピストン12、断熱部材１の二者の間で発
生する熱膨張差（熱応力）を格子状部材15の弾性変形で
緩衝する。一方、圧力等の外部荷重を各格子19に分散す
る格子状部材15は、各格子19内に溶融接着金属10が充填
されてピストン頂面２に一体化された状態では溶融接着
金属10が固体化するから、ピストン12の軸方向の外部荷
重（圧力）は主に固体化した溶融接着金属10で受け、引
張荷重は格子状部材15で受けることになる。

尚、実施例１及び実施例２では格子状部材15を円盤部
材を介して断熱部材に接続する説明をしたが、円盤部材
４を省略することも当然可能である。

［発明の効果］ 以上説明したことから明らかなようにこの発明によれ
ば次の如く優れた効果を発揮する。

低熱膨張材で形成されてピストン頂面を覆う断熱部材
と、該断熱部材と同程度の熱膨張率の材料で形成された
格子状部材と、格子内に充填されて固体化する溶融接着
金属により上記頂面と断熱部材の被着面とを連結したか
らピストン頂面と断熱部材との熱応力に対する接続強度
を一定に維持できる。

【図面の簡単な説明】

第１図及はこの発明の好適な第１実施例を示す斜視図、
第２図はこの発明の好適な第２実施例を示す斜視図であ
る。 図中、１は断熱部材、２はピストン頂面、5,15は格子状
部材、9,19は格子、10は溶融接着金属である。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】低熱膨張材で形成されてピストン頂面を覆
   う断熱部材と、格子内に充填されて固体化する溶融接着
   金属により上記頂面と断熱部材の被着面とを連結する格
   子状部材とを備えたことを特徴とするピストンの断熱部
   材。