JP3033324B2 - 断熱ピストン - Google Patents
断熱ピストンInfo
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
- F05C—INDEXING SCHEME RELATING TO MATERIALS, MATERIAL PROPERTIES OR MATERIAL CHARACTERISTICS FOR MACHINES, ENGINES OR PUMPS OTHER THAN NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES
- F05C2201/00—Metals
- F05C2201/02—Light metals
- F05C2201/021—Aluminium
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
- F05C—INDEXING SCHEME RELATING TO MATERIALS, MATERIAL PROPERTIES OR MATERIAL CHARACTERISTICS FOR MACHINES, ENGINES OR PUMPS OTHER THAN NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES
- F05C2251/00—Material properties
- F05C2251/04—Thermal properties
- F05C2251/042—Expansivity
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- Pistons, Piston Rings, And Cylinders (AREA)
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は，セラミック製の
ピストンヘッドとピストンスカートを有する断熱ピスト
ンに関する。
ピストンヘッドとピストンスカートを有する断熱ピスト
ンに関する。
【０００２】
【従来の技術】従来，断熱ピストンとして，ピストンヘ
ッドの頂面をセラミックスで製作し，ピストンスカート
をアルミニウム合金，鋳鉄等で製作し，ピストンヘッド
とピストンスカートとを結合して構造を有しているもの
がある。
ッドの頂面をセラミックスで製作し，ピストンスカート
をアルミニウム合金，鋳鉄等で製作し，ピストンヘッド
とピストンスカートとを結合して構造を有しているもの
がある。
【０００３】従来，内燃機関用ピストンとして，実開昭
５８−９８４５５号公報に開示されたものがある。該内
燃機関用ピストンは，アルミニウム，鋳鉄等の金属より
なるピストン基部に，コバール，４２アロイ等の熱膨張
率が３〜９×１０- 6 ／℃の金属体を介してセラミック
スを結合したものである。
５８−９８４５５号公報に開示されたものがある。該内
燃機関用ピストンは，アルミニウム，鋳鉄等の金属より
なるピストン基部に，コバール，４２アロイ等の熱膨張
率が３〜９×１０- 6 ／℃の金属体を介してセラミック
スを結合したものである。
【０００４】また，断熱ピストンの構造として，特開昭
６３−２５５５５２号公報に開示されたものがある。該
断熱ピストンの構造は，燃焼室側にジルコニアコーティ
ング層を施し且つジルコニアコーティング層と線膨張係
数がほぼ等しい金属製薄板をサーメットホルダに被覆し
てピストンヘッドを構成し，該ピストンヘッドがピスト
ンスカートに空気層を形成し且つ断熱シール材を介在し
て取り付けられている。更に，サーメットホルダの中央
突出部をピストンスカートの中央孔に嵌合し，リングに
よって互いに係止している。
６３−２５５５５２号公報に開示されたものがある。該
断熱ピストンの構造は，燃焼室側にジルコニアコーティ
ング層を施し且つジルコニアコーティング層と線膨張係
数がほぼ等しい金属製薄板をサーメットホルダに被覆し
てピストンヘッドを構成し，該ピストンヘッドがピスト
ンスカートに空気層を形成し且つ断熱シール材を介在し
て取り付けられている。更に，サーメットホルダの中央
突出部をピストンスカートの中央孔に嵌合し，リングに
よって互いに係止している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら，断熱ピ
ストンでピストンヘッドをセラミックスで且つピストン
スカートを金属で製作したものは，ピストンスカートの
金属として鋳鉄を用いると重量が重く，また，アルミニ
ウム合金を用いると重量は軽くなるが，アルミニウム合
金の熱膨張係数が大きいため，アルミニウム合金とセラ
ミックスとの間に細かく緩衝材を介在させる必要があ
る。更に，アルミニウム合金は耐熱温度が低いために，
高温下でアルミニウム合金のピストンスカートが変形を
起こし，ピストンヘッドとピストンスカートとの境界部
の間のシール性が下がり，ガス抜け等の問題が発生す
る。
ストンでピストンヘッドをセラミックスで且つピストン
スカートを金属で製作したものは，ピストンスカートの
金属として鋳鉄を用いると重量が重く，また，アルミニ
ウム合金を用いると重量は軽くなるが，アルミニウム合
金の熱膨張係数が大きいため，アルミニウム合金とセラ
ミックスとの間に細かく緩衝材を介在させる必要があ
る。更に，アルミニウム合金は耐熱温度が低いために，
高温下でアルミニウム合金のピストンスカートが変形を
起こし，ピストンヘッドとピストンスカートとの境界部
の間のシール性が下がり，ガス抜け等の問題が発生す
る。
【０００６】この発明の目的は，上記の課題を解決する
ことであり，シリンダ内を往復運動するピストンヘッド
と該ピストンヘッドに取り付けたピストンスカートを有
する断熱ピストンにおいて，前記ピストンヘッドを緻密
質のセラミックスから構成し，前記ピストンスカートを
アルミニウム合金とセラミックスの複合材料で構成し，
前記ピストンスカートを前記ピストンヘッド側の部分を
低熱膨張のセラミックスで且つ下部になるに従って高熱
膨張のセラミックスになるように熱膨張傾斜組織の構造
を有し，高温下での熱変形や隙間の発生を防止する断熱
ピストンを提供することである。
ことであり，シリンダ内を往復運動するピストンヘッド
と該ピストンヘッドに取り付けたピストンスカートを有
する断熱ピストンにおいて，前記ピストンヘッドを緻密
質のセラミックスから構成し，前記ピストンスカートを
アルミニウム合金とセラミックスの複合材料で構成し，
前記ピストンスカートを前記ピストンヘッド側の部分を
低熱膨張のセラミックスで且つ下部になるに従って高熱
膨張のセラミックスになるように熱膨張傾斜組織の構造
を有し，高温下での熱変形や隙間の発生を防止する断熱
ピストンを提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】この発明は，シリンダ内
を往復運動するピストンスカート及び該ピストンスカー
トに取り付けたピストンヘッドを有する断熱ピストンに
おいて，前記ピストンヘッドを緻密質のセラミックスか
ら構成し，前記ピストンヘッド側に面するピストンスカ
ートをアルミニウム合金と少なくとも２種類以上のセラ
ミックスから成る複合材で構成し，前記セラミックスの
組織が前記ピストンスカートの上部から下部へ熱膨張係
数が傾斜変化した構造を有し，前記セラミックスの組織
に存在する間隙がアルミニウム合金で置換され，前記セ
ラミックスのうち，一方のセラミックスがチタン酸アル
ミニウムであり，他方のセラミックスがジルコニア，酸
化マグネシウム，酸化アルミニウムの中の何れか１つ或
いはそれらの複合物であることを特徴とする断熱ピスト
ンに関する。また，この断熱ピストンは，前記セラミッ
クスの熱膨張係数の傾斜変化が熱膨張係数差で４×１０
- 6 以上であるように構成されている。
を往復運動するピストンスカート及び該ピストンスカー
トに取り付けたピストンヘッドを有する断熱ピストンに
おいて，前記ピストンヘッドを緻密質のセラミックスか
ら構成し，前記ピストンヘッド側に面するピストンスカ
ートをアルミニウム合金と少なくとも２種類以上のセラ
ミックスから成る複合材で構成し，前記セラミックスの
組織が前記ピストンスカートの上部から下部へ熱膨張係
数が傾斜変化した構造を有し，前記セラミックスの組織
に存在する間隙がアルミニウム合金で置換され，前記セ
ラミックスのうち，一方のセラミックスがチタン酸アル
ミニウムであり，他方のセラミックスがジルコニア，酸
化マグネシウム，酸化アルミニウムの中の何れか１つ或
いはそれらの複合物であることを特徴とする断熱ピスト
ンに関する。また，この断熱ピストンは，前記セラミッ
クスの熱膨張係数の傾斜変化が熱膨張係数差で４×１０
- 6 以上であるように構成されている。
【０００８】また，この発明は，シリンダ内を往復運動
するピストンスカート及び該ピストンスカートに取り付
けたピストンヘッドを有する断熱ピストンにおいて，前
記ピストンヘッドを緻密質のセラミックスから構成し，
前記ピストンヘッド側に面するピストンスカートをアル
ミニウム合金と少なくとも２種類以上のセラミックスか
ら成る複合材で構成し，前記セラミックスの組織が前記
ピストンスカートの上部から下部へ熱膨張係数が傾斜変
化した構造を有し，前記セラミックスの組織に存在する
間隙がアルミニウム合金で置換され，前記ピストンスカ
ートを前記ピストンヘッド側に面する上部をチタン酸ア
ルミニウムとアルミニウムとの複合材で構成し，前記ピ
ストンスカートの下部をアルミニウム合金で構成し，前
記上部と前記下部との中間部を，上部側がチタン酸アル
ミニウムとジルコニアから成り且つ下部側がジルコニア
から成るようにセラミックスの組織が傾斜変化した構造
を有することを特徴とする断熱ピストンに関する。
するピストンスカート及び該ピストンスカートに取り付
けたピストンヘッドを有する断熱ピストンにおいて，前
記ピストンヘッドを緻密質のセラミックスから構成し，
前記ピストンヘッド側に面するピストンスカートをアル
ミニウム合金と少なくとも２種類以上のセラミックスか
ら成る複合材で構成し，前記セラミックスの組織が前記
ピストンスカートの上部から下部へ熱膨張係数が傾斜変
化した構造を有し，前記セラミックスの組織に存在する
間隙がアルミニウム合金で置換され，前記ピストンスカ
ートを前記ピストンヘッド側に面する上部をチタン酸ア
ルミニウムとアルミニウムとの複合材で構成し，前記ピ
ストンスカートの下部をアルミニウム合金で構成し，前
記上部と前記下部との中間部を，上部側がチタン酸アル
ミニウムとジルコニアから成り且つ下部側がジルコニア
から成るようにセラミックスの組織が傾斜変化した構造
を有することを特徴とする断熱ピストンに関する。
【０００９】更に，この発明は，シリンダ内を往復運動
するピストンスカート及び該ピストンスカートに取り付
けたピストンヘッドを有する断熱ピストンにおいて，前
記ピストンヘッドを緻密質のセラミックスから構成し，
前記ピストンヘッド側に面するピストンスカートをアル
ミニウム合金と少なくとも２種類以上のセラミックスか
ら成る複合材で構成し，前記セラミックスの組織が前記
ピストンスカートの上部から下部へ熱膨張係数が傾斜変
化した構造を有し，前記セラミックスの組織に存在する
間隙がアルミニウム合金で置換され，前記ピストンヘッ
ドの燃焼室側上面とピストンスカート側下面に多孔質セ
ラミックスを結合した構造を有することを特徴とする断
熱ピストンに関する。また，この断熱ピストンは，前記
多孔質セラミックスの表面に緻密なセラミックス薄膜が
形成されている。更に，この断熱ピストンでは，前記多
孔質セラミックスが反応焼結材をベースに酸化物を含む
複合材である。
するピストンスカート及び該ピストンスカートに取り付
けたピストンヘッドを有する断熱ピストンにおいて，前
記ピストンヘッドを緻密質のセラミックスから構成し，
前記ピストンヘッド側に面するピストンスカートをアル
ミニウム合金と少なくとも２種類以上のセラミックスか
ら成る複合材で構成し，前記セラミックスの組織が前記
ピストンスカートの上部から下部へ熱膨張係数が傾斜変
化した構造を有し，前記セラミックスの組織に存在する
間隙がアルミニウム合金で置換され，前記ピストンヘッ
ドの燃焼室側上面とピストンスカート側下面に多孔質セ
ラミックスを結合した構造を有することを特徴とする断
熱ピストンに関する。また，この断熱ピストンは，前記
多孔質セラミックスの表面に緻密なセラミックス薄膜が
形成されている。更に，この断熱ピストンでは，前記多
孔質セラミックスが反応焼結材をベースに酸化物を含む
複合材である。
【００１０】この断熱ピストンは，以上のように構成さ
れているので，セラミックスがアルミニウム合金の内部
に編み目状に内包され，特に，高温下においてアルミニ
ウム合金中の転位の動きが阻害され，従来発生していた
ような変形等は起こらず，ピストンヘッドのセラミック
スとの近傍の熱膨張係数差を小さくすることができる。
また，この断熱ピストンは，前記ピストンヘッドの燃焼
室側上面とピストンスカート側下面に多孔質セラミック
スを結合したので，ピストンヘッドが断熱性に優れた構
造となり，燃焼室が高温になっても熱がピストンスカー
トに伝導し難くなり，ピストンスカートの変形等が起こ
り難いものとなる。
れているので，セラミックスがアルミニウム合金の内部
に編み目状に内包され，特に，高温下においてアルミニ
ウム合金中の転位の動きが阻害され，従来発生していた
ような変形等は起こらず，ピストンヘッドのセラミック
スとの近傍の熱膨張係数差を小さくすることができる。
また，この断熱ピストンは，前記ピストンヘッドの燃焼
室側上面とピストンスカート側下面に多孔質セラミック
スを結合したので，ピストンヘッドが断熱性に優れた構
造となり，燃焼室が高温になっても熱がピストンスカー
トに伝導し難くなり，ピストンスカートの変形等が起こ
り難いものとなる。
【００１１】
【発明の実施の形態】以下，図面を参照して，この発明
による断熱ピストンの実施例を説明する。図１はこの発
明による断熱ピストンの一実施例を示す断面図である。
による断熱ピストンの実施例を説明する。図１はこの発
明による断熱ピストンの一実施例を示す断面図である。
【００１２】図１に示すように，この発明による断熱ピ
ストンは，主として，シリンダ内を往復運動するピスト
ンヘッド１とピストンヘッド１に固定したピストンスカ
ート２を有している。ピストンヘッド１は窒化ケイ素，
炭化ケイ素等の耐熱性に優れたセラミック材料で構成さ
れ，また，ピストンスカート２はアルミニウム合金等の
金属材料と少なくとも２種類以上のセラミックスから成
る複合材料で構成されている。
ストンは，主として，シリンダ内を往復運動するピスト
ンヘッド１とピストンヘッド１に固定したピストンスカ
ート２を有している。ピストンヘッド１は窒化ケイ素，
炭化ケイ素等の耐熱性に優れたセラミック材料で構成さ
れ，また，ピストンスカート２はアルミニウム合金等の
金属材料と少なくとも２種類以上のセラミックスから成
る複合材料で構成されている。
【００１３】ピストンヘッド１は，燃焼室１０を備えた
クラウン部１８及びクラウン部１８の中央付近から下方
に環状に伸びる取付部３を有している。ピストンスカー
ト２は，中央に取付孔部１９を形成した上部９を有して
いる。また，ピストンヘッド１の取付部３の外周には，
メタルフロー金属が嵌入するための僅かな凹部２２が形
成されている。ピストンヘッド１とピストンスカート２
とは，セラミックスから成る断熱部材１３，１４を介在
してメタルフローによって凹部２２に嵌入される結合リ
ング１２によって固定されている。また，ピストンヘッ
ド１のクラウン部１８の下面７とピストンスカート２の
上部９の上面８との間には断熱空気層１１が形成されて
いる。ピストンスカート２に形成された燃焼室側に形成
されたピストンリング溝は，ニレジスト等の耐摩環２０
がピストンスカート２の上部９に埋め込まれて構成され
ている。
クラウン部１８及びクラウン部１８の中央付近から下方
に環状に伸びる取付部３を有している。ピストンスカー
ト２は，中央に取付孔部１９を形成した上部９を有して
いる。また，ピストンヘッド１の取付部３の外周には，
メタルフロー金属が嵌入するための僅かな凹部２２が形
成されている。ピストンヘッド１とピストンスカート２
とは，セラミックスから成る断熱部材１３，１４を介在
してメタルフローによって凹部２２に嵌入される結合リ
ング１２によって固定されている。また，ピストンヘッ
ド１のクラウン部１８の下面７とピストンスカート２の
上部９の上面８との間には断熱空気層１１が形成されて
いる。ピストンスカート２に形成された燃焼室側に形成
されたピストンリング溝は，ニレジスト等の耐摩環２０
がピストンスカート２の上部９に埋め込まれて構成され
ている。
【００１４】ピストンヘッド１とピストンスカート２と
は，次のようにして固定することができる。ピストンヘ
ッド１のクラウン部１８の下面７とピストンスカート２
の上部９の上面８との間に断熱材１５と断熱シール部材
１６を介在させる。次いで，ピストンヘッド１の取付部
３をピストンスカート２の上部９に形成した取付孔部１
９に嵌合する。この状態で，ピストンヘッド１とピスト
ンスカート２とを，メタルフローによって互いに固定す
る。即ち，ピストンヘッド１の取付部３の外周とピスト
ンスカート２の上部９に形成した大径の取付孔部２１と
の間に形成された穴部に，断熱材で且つ緩衝材となる部
分安定化ジルコニア等のセラミックスから成る断熱部材
１３，１４を介在させ，次いで，メタルフロー金属即ち
結合リング１２を高周波コイル等で加熱し，結合リング
１２を塑性変形させて穴部に嵌入すると共に，取付部３
の凹部２２に結合リング１２を塑性流動で進入させて硬
化させ，ピストンヘッド１とピストンスカート２とを固
定する。このメタルフロー時に，ピストンヘッド１の取
付部３をピストンスカート２の上部９に形成した取付孔
部１９に嵌入してメタルフロー荷重即ち押圧荷重がかか
るが，ピストンスカート２の上部９の取付孔部１９近傍
が若干塑性変形を起こし，加工精度上の問題を吸収する
ことができる。
は，次のようにして固定することができる。ピストンヘ
ッド１のクラウン部１８の下面７とピストンスカート２
の上部９の上面８との間に断熱材１５と断熱シール部材
１６を介在させる。次いで，ピストンヘッド１の取付部
３をピストンスカート２の上部９に形成した取付孔部１
９に嵌合する。この状態で，ピストンヘッド１とピスト
ンスカート２とを，メタルフローによって互いに固定す
る。即ち，ピストンヘッド１の取付部３の外周とピスト
ンスカート２の上部９に形成した大径の取付孔部２１と
の間に形成された穴部に，断熱材で且つ緩衝材となる部
分安定化ジルコニア等のセラミックスから成る断熱部材
１３，１４を介在させ，次いで，メタルフロー金属即ち
結合リング１２を高周波コイル等で加熱し，結合リング
１２を塑性変形させて穴部に嵌入すると共に，取付部３
の凹部２２に結合リング１２を塑性流動で進入させて硬
化させ，ピストンヘッド１とピストンスカート２とを固
定する。このメタルフロー時に，ピストンヘッド１の取
付部３をピストンスカート２の上部９に形成した取付孔
部１９に嵌入してメタルフロー荷重即ち押圧荷重がかか
るが，ピストンスカート２の上部９の取付孔部１９近傍
が若干塑性変形を起こし，加工精度上の問題を吸収する
ことができる。
【００１５】この発明による断熱ピストンは，特に，ピ
ストンスカート２の構成に特徴を有するものである。即
ち，この断熱ピストンは，特に，ピストンヘッド１を緻
密質のセラミックスから構成し，ピストンヘッド１側に
面するピストンスカート２をアルミニウム合金と少なく
とも２種類以上のセラミックスから成る複合材で構成
し，セラミックスの組織がピストンスカート２の上部９
から下部４へ熱膨張係数が傾斜変化の構造を有してお
り，セラミックスの組織に存在する間隙がアルミニウム
で置換されていることを特徴とするものである。
ストンスカート２の構成に特徴を有するものである。即
ち，この断熱ピストンは，特に，ピストンヘッド１を緻
密質のセラミックスから構成し，ピストンヘッド１側に
面するピストンスカート２をアルミニウム合金と少なく
とも２種類以上のセラミックスから成る複合材で構成
し，セラミックスの組織がピストンスカート２の上部９
から下部４へ熱膨張係数が傾斜変化の構造を有してお
り，セラミックスの組織に存在する間隙がアルミニウム
で置換されていることを特徴とするものである。
【００１６】この断熱ピストンは，言い換えれば，ピス
トンスカート２のうち，セラミックスのピストンヘッド
１との結合部材近傍即ち上部９を低熱膨張のチタン酸ア
ルミニウムとアルミニウム合金との複合材で構成し，ピ
ストンスカート２の中間部６，５を下部４になるに従っ
て傾斜状にセラミック成分を変化させた熱膨張係数傾斜
機能材で構成し，特に，低熱膨張のチタン酸アルミニウ
ムから高熱膨張のジルコニアに変化させ，中間部をジル
コニアとアルミニウム合金との複合材に構成し，該複合
材が下部のアルミニウム合金に連続して結合されるよう
に構成したものである。
トンスカート２のうち，セラミックスのピストンヘッド
１との結合部材近傍即ち上部９を低熱膨張のチタン酸ア
ルミニウムとアルミニウム合金との複合材で構成し，ピ
ストンスカート２の中間部６，５を下部４になるに従っ
て傾斜状にセラミック成分を変化させた熱膨張係数傾斜
機能材で構成し，特に，低熱膨張のチタン酸アルミニウ
ムから高熱膨張のジルコニアに変化させ，中間部をジル
コニアとアルミニウム合金との複合材に構成し，該複合
材が下部のアルミニウム合金に連続して結合されるよう
に構成したものである。
【００１７】ピストンスカート２は，ピストンヘッド１
に接する上部９，上方中間部６，下方中間部５及び下部
４を連続して接合されており，上部９をチタン酸アルミ
ニウムＡｌ2 ＴｉＯ5 とアルミニウム合金との複合材で
構成し，上部９に接合した上方中間部６をチタン酸アル
ミニウムとジルコニアＺｒＯ2 との傾斜組成のセラミッ
クスとアルミニウム合金との複合材で構成し，上方中間
部６に接合した下方中間部５をジルコニアＺｒＯ2 とア
ルミニウム合金との複合材で構成し，更に，下方中間部
５に接合した下部４をアルミニウム合金で構成したもの
である。即ち，このピストンスカート２については，上
部９と下部４との中間部６，５について，上部側がチタ
ン酸アルミニウムとジルコニアから構成し，下部側がジ
ルコニアから構成するようにセラミックスの組織が傾斜
変化しているものである。
に接する上部９，上方中間部６，下方中間部５及び下部
４を連続して接合されており，上部９をチタン酸アルミ
ニウムＡｌ2 ＴｉＯ5 とアルミニウム合金との複合材で
構成し，上部９に接合した上方中間部６をチタン酸アル
ミニウムとジルコニアＺｒＯ2 との傾斜組成のセラミッ
クスとアルミニウム合金との複合材で構成し，上方中間
部６に接合した下方中間部５をジルコニアＺｒＯ2 とア
ルミニウム合金との複合材で構成し，更に，下方中間部
５に接合した下部４をアルミニウム合金で構成したもの
である。即ち，このピストンスカート２については，上
部９と下部４との中間部６，５について，上部側がチタ
ン酸アルミニウムとジルコニアから構成し，下部側がジ
ルコニアから構成するようにセラミックスの組織が傾斜
変化しているものである。
【００１８】ピストンスカート２は，セラミックスの熱
膨張係数の傾斜変化が熱膨張係数差で４×１０- 6 以上
にコントロールされており，また，セラミックスのう
ち，一方のセラミックスがチタン酸アルミニウムであり
且つ他方のセラミックスがジルコニア，酸化マグネシウ
ム，酸化アルミニウムの中の何れか１つ或いはそれらの
複合物で構成することができる。
膨張係数の傾斜変化が熱膨張係数差で４×１０- 6 以上
にコントロールされており，また，セラミックスのう
ち，一方のセラミックスがチタン酸アルミニウムであり
且つ他方のセラミックスがジルコニア，酸化マグネシウ
ム，酸化アルミニウムの中の何れか１つ或いはそれらの
複合物で構成することができる。
【００１９】この断熱ピストンは，上記のような構造を
有しており，ピストンスカート２を次のようにして製作
できる。この断熱ピストンの製造方法において，まず，
平均粒径４０μｍのチタン酸アルミニウムＡｌ2 ＴｉＯ
5 の粉末と２μｍのジルコニアＺｒＯ2 の粉末との混合
粉末に蒸留水を加え，ボールミルにて約２４時間混合
し，スラリーを作製した。この時，チタン酸アルミニウ
ムとジルコニアとの混合比を０〜１００％の範囲で異な
る混合粉末を１０種類作製し，１０種類のスラリーを作
製した。得られたスラリーを，チタン酸アルミニウムの
濃度の高いものから順に，径９０ｍｍのキャビティを有
する石膏型内に注入し，スラリーを石膏型に吸水固化さ
せた。
有しており，ピストンスカート２を次のようにして製作
できる。この断熱ピストンの製造方法において，まず，
平均粒径４０μｍのチタン酸アルミニウムＡｌ2 ＴｉＯ
5 の粉末と２μｍのジルコニアＺｒＯ2 の粉末との混合
粉末に蒸留水を加え，ボールミルにて約２４時間混合
し，スラリーを作製した。この時，チタン酸アルミニウ
ムとジルコニアとの混合比を０〜１００％の範囲で異な
る混合粉末を１０種類作製し，１０種類のスラリーを作
製した。得られたスラリーを，チタン酸アルミニウムの
濃度の高いものから順に，径９０ｍｍのキャビティを有
する石膏型内に注入し，スラリーを石膏型に吸水固化さ
せた。
【００２０】次いで，吸水固化したセラミック成形体を
石膏型から取り出して乾燥し，セラミック成形体の乾燥
後，乾燥セラミック成形体を所定の温度で焼成してセラ
ミック焼成体を得た。セラミック焼成体の気孔率は約５
０％であり，外形８５ｍｍの多孔体を得ることができ
た。この多孔体を機械加工し，真空炉内で８００℃に加
熱されて溶湯になっているＡｌ−Ｓｉ合金溶湯に多孔体
を加圧浸漬し，多孔体の気孔内部へＡｌ−Ｓｉ合金溶湯
を含浸させた後，炉冷して多孔体を炉から取り出し，チ
タン酸アルミニウム，ジルコニア及びアルミニウム合金
から成る複合体を得ることができた。
石膏型から取り出して乾燥し，セラミック成形体の乾燥
後，乾燥セラミック成形体を所定の温度で焼成してセラ
ミック焼成体を得た。セラミック焼成体の気孔率は約５
０％であり，外形８５ｍｍの多孔体を得ることができ
た。この多孔体を機械加工し，真空炉内で８００℃に加
熱されて溶湯になっているＡｌ−Ｓｉ合金溶湯に多孔体
を加圧浸漬し，多孔体の気孔内部へＡｌ−Ｓｉ合金溶湯
を含浸させた後，炉冷して多孔体を炉から取り出し，チ
タン酸アルミニウム，ジルコニア及びアルミニウム合金
から成る複合体を得ることができた。
【００２１】更に，上記複合体を機械加工して所望の形
状のピストンスカート２に成形した後，ピストンスカー
ト２を窒化ケイ素Ｓｉ3 Ｎ4 から成るピストンヘッド１
に，高周波加熱によって結合リング１２をメタルフロー
して嵌合結合し，図１に示すような断熱ピストンを得る
ことができた。
状のピストンスカート２に成形した後，ピストンスカー
ト２を窒化ケイ素Ｓｉ3 Ｎ4 から成るピストンヘッド１
に，高周波加熱によって結合リング１２をメタルフロー
して嵌合結合し，図１に示すような断熱ピストンを得る
ことができた。
【００２２】上記のようにして製作した断熱ピストン
を，ベンチ試験で試験したところ，約１０００サイクル
後にも，各部に亀裂等は見られず，安定していることが
確認された。即ち，この発明による断熱ピストンは，安
定した軽量で断熱性に優れたピストンを提供できるもの
であった。
を，ベンチ試験で試験したところ，約１０００サイクル
後にも，各部に亀裂等は見られず，安定していることが
確認された。即ち，この発明による断熱ピストンは，安
定した軽量で断熱性に優れたピストンを提供できるもの
であった。
【００２３】次に，この発明による断熱ピストンの別の
実施例を図２を参照して説明する。図２はこの発明によ
る断熱ピストンの別の実施例を示す断面図である。この
実施例の断熱ピストンは，上記実施例の断熱ピストンと
比較してピストンヘッドの構造が相違する以外は，同一
の構成及び機能を有するので，同一の部品には同一の符
号を付して重複する説明は省略する。
実施例を図２を参照して説明する。図２はこの発明によ
る断熱ピストンの別の実施例を示す断面図である。この
実施例の断熱ピストンは，上記実施例の断熱ピストンと
比較してピストンヘッドの構造が相違する以外は，同一
の構成及び機能を有するので，同一の部品には同一の符
号を付して重複する説明は省略する。
【００２４】図２に示すように，この断熱ピストンにお
けるピストンヘッド１には，燃焼室側上面２５に多孔質
セラミックス１７とピストンスカート側下面２６に多孔
質セラミックス２３とが結合されている。また，多孔質
セラミックス１７の表面には，緻密なセラミックス薄膜
２４が形成されている。多孔質セラミックス１７，２３
は，反応焼結材をベースに酸化物を含む複合材で構成さ
れているものである。従って，この断熱ピストンは，多
孔質セラミックス１７，２３を備えた構成により，断熱
性に優れた構造になり，従来のものよりも燃焼室が高温
になってもピストンスカート２へは熱が伝導し難くなっ
ている。
けるピストンヘッド１には，燃焼室側上面２５に多孔質
セラミックス１７とピストンスカート側下面２６に多孔
質セラミックス２３とが結合されている。また，多孔質
セラミックス１７の表面には，緻密なセラミックス薄膜
２４が形成されている。多孔質セラミックス１７，２３
は，反応焼結材をベースに酸化物を含む複合材で構成さ
れているものである。従って，この断熱ピストンは，多
孔質セラミックス１７，２３を備えた構成により，断熱
性に優れた構造になり，従来のものよりも燃焼室が高温
になってもピストンスカート２へは熱が伝導し難くなっ
ている。
【００２５】この断熱ピストンは，上記のような構造を
有しており，ピストンヘッド１を次のようにして製作で
きる。この断熱ピストンの製造方法において，まず，平
均粒径０．３μｍのケイ素Ｓｉの粉末，チタン酸アルミ
ニウムＡｌ2 ＴｉＯ5 の粉末及び酸化ランタンＬａ2 Ｏ
3 の粉末をそれぞれ重量比で６５：３０：５の割合で配
合し，これにメタノール，解膠剤，有機バインダを加
え，ボールミルにて約２４時間混合した。これをスプレ
ードライヤにて造粒粉に作製し，更にこれを成形原料と
して，ＣＩＰ（冷間等方加工プレス）により，直径約８
０ｍｍ厚さ，１０ｍｍの円板状の成形体を得た。
有しており，ピストンヘッド１を次のようにして製作で
きる。この断熱ピストンの製造方法において，まず，平
均粒径０．３μｍのケイ素Ｓｉの粉末，チタン酸アルミ
ニウムＡｌ2 ＴｉＯ5 の粉末及び酸化ランタンＬａ2 Ｏ
3 の粉末をそれぞれ重量比で６５：３０：５の割合で配
合し，これにメタノール，解膠剤，有機バインダを加
え，ボールミルにて約２４時間混合した。これをスプレ
ードライヤにて造粒粉に作製し，更にこれを成形原料と
して，ＣＩＰ（冷間等方加工プレス）により，直径約８
０ｍｍ厚さ，１０ｍｍの円板状の成形体を得た。
【００２６】この成形体を最高５００℃まで加熱するこ
とにより，脱脂後，窒素ガス中で最高１４００℃まで加
熱して多孔質セラミックスであるセラミック焼結体即ち
反応焼結材を得た。更に，この焼結体を１０００℃の大
気中での熱処理をした後，機械加工を施して所望の形状
に形成した。加工した焼結体の表面に，ポリシラザンを
塗布して所定の熱処理を行い，焼結体の表面のポリシラ
ザンを緻密な酸化物複合材即ちセラミックス薄膜２４に
転化させた。上記の工程で製作したセラミック焼結体１
７，２３を試験したところ，低熱伝導で，低熱膨張で且
つ高強度を有することが確認された。
とにより，脱脂後，窒素ガス中で最高１４００℃まで加
熱して多孔質セラミックスであるセラミック焼結体即ち
反応焼結材を得た。更に，この焼結体を１０００℃の大
気中での熱処理をした後，機械加工を施して所望の形状
に形成した。加工した焼結体の表面に，ポリシラザンを
塗布して所定の熱処理を行い，焼結体の表面のポリシラ
ザンを緻密な酸化物複合材即ちセラミックス薄膜２４に
転化させた。上記の工程で製作したセラミック焼結体１
７，２３を試験したところ，低熱伝導で，低熱膨張で且
つ高強度を有することが確認された。
【００２７】更に，上記工程で製作したセラミック焼結
体１７，２３を，相対密度９９％以上の窒化ケイ素から
成るピストンヘッド１の凹部２７を形成した上面２５と
凹部２８を形成した下面２６に，酸化物ソルダー剤を塗
布し，上記の凹部２７と凹部２８とに嵌め込み，これを
加熱してセラミック焼結体１７，２３とピストンヘッド
１とを接合して一体化し，図２に示すようなピストンヘ
ッド１を得た。なお，ピストンスカート２の製造方法及
びピストンヘッド１とピストンスカート２との結合方法
は，図１に示す断熱ピストンと同様である。
体１７，２３を，相対密度９９％以上の窒化ケイ素から
成るピストンヘッド１の凹部２７を形成した上面２５と
凹部２８を形成した下面２６に，酸化物ソルダー剤を塗
布し，上記の凹部２７と凹部２８とに嵌め込み，これを
加熱してセラミック焼結体１７，２３とピストンヘッド
１とを接合して一体化し，図２に示すようなピストンヘ
ッド１を得た。なお，ピストンスカート２の製造方法及
びピストンヘッド１とピストンスカート２との結合方法
は，図１に示す断熱ピストンと同様である。
【００２８】上記のようにして製作した断熱ピストンを
ベンチ試験で試験したところ，上記断熱ピストンと同様
に，約１０００サイクル後にも，各部に亀裂等は見られ
ず，安定しており，しかも，断熱性に極めて優れている
ことが確認された。即ち，この発明による断熱ピストン
は，安定した軽量で且つ断熱性に優れたピストンを提供
できるものであった。
ベンチ試験で試験したところ，上記断熱ピストンと同様
に，約１０００サイクル後にも，各部に亀裂等は見られ
ず，安定しており，しかも，断熱性に極めて優れている
ことが確認された。即ち，この発明による断熱ピストン
は，安定した軽量で且つ断熱性に優れたピストンを提供
できるものであった。
【００２９】
【発明の効果】この発明による断熱ピストンは，以上の
ように構成したので，セラミックスがアルミニウム合金
の内部に編み目状に内包され，特に，高温下においてア
ルミニウム合金中の転位の挙動が阻害され，従来発生し
ていたような変形等は起こらず，ピストンスカートの複
合材とピストンヘッドのセラミックスとの近傍の熱膨張
係数差も小さく緩和され，両者間に隙間等も発生し難
く，ガス抜け等の現象は発生しないものである。
ように構成したので，セラミックスがアルミニウム合金
の内部に編み目状に内包され，特に，高温下においてア
ルミニウム合金中の転位の挙動が阻害され，従来発生し
ていたような変形等は起こらず，ピストンスカートの複
合材とピストンヘッドのセラミックスとの近傍の熱膨張
係数差も小さく緩和され，両者間に隙間等も発生し難
く，ガス抜け等の現象は発生しないものである。
【００３０】また，この断熱ピストンは，ピストンヘッ
ドの燃焼室側上面とピストンスカート側下面に多孔質セ
ラミックスを結合したので，ピストンヘッドの断熱性が
極めて優れた構造となり，燃焼室が高温になっても熱が
ピストンヘッドからピストンスカートに伝導し難くな
り，ピストンスカートの変形等が起こり難く，両者間に
隙間等も発生し難く，ガス抜け等の現象は発生しないも
のである。
ドの燃焼室側上面とピストンスカート側下面に多孔質セ
ラミックスを結合したので，ピストンヘッドの断熱性が
極めて優れた構造となり，燃焼室が高温になっても熱が
ピストンヘッドからピストンスカートに伝導し難くな
り，ピストンスカートの変形等が起こり難く，両者間に
隙間等も発生し難く，ガス抜け等の現象は発生しないも
のである。
【図１】この発明による断熱ピストンの一実施例を示す
断面図である。
断面図である。
【図２】この発明による断熱ピストンの別の実施例を示
す断面図である。
す断面図である。
１ ピストンヘッド ２ ピストンスカート ３ 取付部 ４ 下部 ５，６ 中間部 ９ 上部 １７，２３ セラミック焼結体（多孔質セラミックス） ２４ セラミックス薄膜 ２５ 燃焼室側の上面 ２６ ピストンスカート側の下面
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) F02F 3/00 301 F02F 3/00 302
Claims (6)
- 【請求項１】 シリンダ内を往復運動するピストンスカ
ート及び該ピストンスカートに取り付けたピストンヘッ
ドを有する断熱ピストンにおいて，前記ピストンヘッド
を緻密質のセラミックスから構成し，前記ピストンヘッ
ド側に面するピストンスカートをアルミニウム合金と少
なくとも２種類以上のセラミックスから成る複合材で構
成し，前記セラミックスの組織が前記ピストンスカート
の上部から下部へ熱膨張係数が傾斜変化した構造を有
し，前記セラミックスの組織に存在する間隙がアルミニ
ウム合金で置換され，前記セラミックスのうち，一方の
セラミックスがチタン酸アルミニウムであり，他方のセ
ラミックスがジルコニア，酸化マグネシウム，酸化アル
ミニウムの中の何れか１つ或いはそれらの複合物である
ことを特徴とする断熱ピストン。 - 【請求項２】 前記セラミックスの熱膨張係数の傾斜変
化が熱膨張係数差で４×１０- 6 以上であることを特徴
とする請求項１に記載の断熱ピストン。 - 【請求項３】 シリンダ内を往復運動するピストンスカ
ート及び該ピストンスカートに取り付けたピストンヘッ
ドを有する断熱ピストンにおいて，前記ピストンヘッド
を緻密質のセラミックスから構成し，前記ピストンヘッ
ド側に面するピストンスカートをアルミニウム合金と少
なくとも２種類以上のセラミックスから成る複合材で構
成し，前記セラミックスの組織が前記ピストンスカート
の上部から下部へ熱膨張係数が傾斜変化した構造を有
し，前記セラミックスの組織に存在する間隙がアルミニ
ウム合金で置換され，前記ピストンスカートを前記ピス
トンヘッド側に面する上部をチタン酸アルミニウムとア
ルミニウムとの複合材で構成し，前記ピストンスカート
の下部をアルミニウム合金で構成し，前記上部と前記下
部との中間部を，上部側がチタン酸アルミニウムとジル
コニアから成り且つ下部側がジルコニアから成るように
セラミックスの組織が傾斜変化した構造を有することを
特徴とする断熱ピストン。 - 【請求項４】 シリンダ内を往復運動するピストンスカ
ート及び該ピストンスカートに取り付けたピストンヘッ
ドを有する断熱ピストンにおいて，前記ピス トンヘッド
を緻密質のセラミックスから構成し，前記ピストンヘッ
ド側に面するピストンスカートをアルミニウム合金と少
なくとも２種類以上のセラミックスから成る複合材で構
成し，前記セラミックスの組織が前記ピストンスカート
の上部から下部へ熱膨張係数が傾斜変化した構造を有
し，前記セラミックスの組織に存在する間隙がアルミニ
ウム合金で置換され，前記ピストンヘッドの燃焼室側上
面とピストンスカート側下面に多孔質セラミックスを結
合した構造を有することを特徴とする断熱ピストン。 - 【請求項５】 前記多孔質セラミックスの表面に緻密な
セラミックス薄膜が形成されていることを特徴とする請
求項４に記載の断熱ピストン。 - 【請求項６】 前記多孔質セラミックスは反応焼結材を
ベースに酸化物を含む複合材であることを特徴とする請
求項４に記載の断熱ピストン。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4040488A JP3033324B2 (ja) | 1992-01-31 | 1992-01-31 | 断熱ピストン |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4040488A JP3033324B2 (ja) | 1992-01-31 | 1992-01-31 | 断熱ピストン |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05215011A JPH05215011A (ja) | 1993-08-24 |
| JP3033324B2 true JP3033324B2 (ja) | 2000-04-17 |
Family
ID=12581977
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4040488A Expired - Fee Related JP3033324B2 (ja) | 1992-01-31 | 1992-01-31 | 断熱ピストン |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3033324B2 (ja) |
-
1992
- 1992-01-31 JP JP4040488A patent/JP3033324B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH05215011A (ja) | 1993-08-24 |
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