JPH0526110A - 断熱ピストン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、ピストンヘッドとピストンスカー
トとの間で良好な断熱状態を確保し且つ両者の間に介在
する断熱プレートとガスケットとの反力を自由にコント
ロールできる断熱ピストンを提供する。 【構成】 この断熱ピストンは、ピストンヘッド１のク
ラウン部８とピストンスカート２の上端壁部４との間
に、部分安定化ジルコニア等の低熱伝導材から成る断熱
プレート７及びガスケット１０を配置し、ピストンヘッ
ド１とピストンスカート２とをメタルフロー金属部材６
を塑性変形させて固定すると共に、ピストンスカート２
の結合部分２４を塑性変形させてピストンスカート２の
上端壁部４の上面１３を断熱プレート７の下面１６に密
着させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、セラミック製ピスト
ンヘッドと該ピストンヘッドに固定した金属製ピストン
スカートから成る断熱ピストンに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、断熱ピストンの構造としては、図
４に示すように、セラミック材或いは該セラミック材と
熱膨張係数がほぼ等しい材料で作られたピストンヘッド
１をピストンスカート２に取付け、その取付構造とし
て、ピストンヘッド１には取付軸部３を形成し、ピスト
ンスカート２の上端壁部４の中央に取付孔５を形成し、
取付軸部３を取付孔５に嵌合して両者にわたって金属材
料から成る結合リング６を塑性変形で嵌入してピストン
ヘッド１とピストンスカート２とは固定されている。更
に、場合によっては、ピストンヘッドに断熱材を介在さ
せてセラミック薄板を取付けたものが開示されている。
このような断熱ピストンとしては、例えば、特開昭６３
−３０２１６４号公報、特開昭６３−２５５５５２号公
報等に開示されたものがある。

【０００３】ところで、ピストンヘッド１をピストンス
カート２に取付け、ピストンヘッド１のクラウン部８の
下面１２とピストンスカートの上端壁部４の上面１３と
の間にリング状の断熱プレート７を介在させた断熱ピス
トンについては、該断熱ピストンに加わる力について
は、ピストンヘッド１をピストンスカート２に取付ける
場合に、ピストンスカート２にピストンヘッド１を嵌合
して組付ける時にかかる組付力、及び組付け後にピスト
ンスカート２の取付孔５とピストンヘッド１の取付軸部
３との周方向溝部９にメタルフロー金属の結合リング６
を塑性変形で嵌入する時にかかるメタルフロー金属の締
付力によるものである。他には、ピストンの実働即ち往
復運動中に加わる力即ち筒内圧である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、金属製
のピストンスカート２にジルコニア等の低熱膨張のセラ
ミックス材料の断熱部材即ち断熱プレート７を介在して
窒化ケイ素、サーメット等のセラミック製のピストンヘ
ッド１を取付ける場合に、断熱プレート７にピストンヘ
ッド１を接触させて負荷させると、或いはピストンが熱
負荷を受けた状態で往復運動を行うと、ピストンヘッド
１とピストンスカート２との間に介在しているセラミッ
クスから成る断熱プレート７が大きな接触応力を受け、
断熱プレート７にクラック、亀裂等が発生したり、或い
は断熱プレート７が割れ、破損等が起こり、場合によっ
ては飛散するという問題が発生する。

【０００５】そのため、断熱プレート７は勿論のこと、
ピストンヘッド１の外周リング部２０の下端面１４とピ
ストンスカート２の外周上端面１６との間に介在した断
熱部材、カーボンシール等のガスケット１０に対して付
与される反力が不確定な状態になり、ピストンヘッド１
とピストンスカート２との間にガタが発生し、両者間の
空間部材１１のシール機能が劣化すると共に、断熱プレ
ート７及びガスケット１０の破損等が発生する。前掲特
開昭６３−２５５５５２号公報に開示された断熱ピスト
ンの構造についても、同様の問題を有している。

【０００６】そこで、この発明の目的は、上記の課題を
解決することであり、ピストンヘッドとピストンスカー
トとを固定する場合に、前記ピストンスカートの上端壁
部の上面と前記ピストンヘッドのクラウン部の下面との
間に介在しているガスケットは勿論のこと、両者間の中
央部位に配置した断熱プレートに発生する各反力を、結
合リング及びピストンスカートの上端壁部の結合部分の
塑性変形でコントロールし、それによって両者間の良好
なシール状態を確保し且つ前記断熱プレートの破損を防
止すると共に、前記ピストンスカートと前記ピストンヘ
ッドとの対向面の加工を高精度に加工する必要がないよ
うにし、製造コストを低減した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、上記の目的
を達成するために、次のように構成されている。即ち、
この発明は、金属製上端壁部に取付孔を形成したピスト
ンスカート、前記取付孔に嵌合する取付軸部とを備えた
セラミック製ピストンヘッド、前記上端壁部の上面と前
記ピストンヘッドのクラウン部の下面の間に配置した断
熱プレートとガスケット、及び前記ピストンスカートと
前記ピストンヘッドを結合する金属製結合リングを有す
る断熱ピストンにおいて、前記結合リングを構成する金
属部材と前記上端壁部の結合部分を加熱して塑性変形さ
せ、前記金属部材を前記取付孔と前記取付軸部の間及び
前記取付軸部の外周面に形成した周方向溝部に嵌入する
と共に、前記結合部分を前記断熱プレートに密着させ、
前記上端壁部を前記クラウン部側へ押圧することで前記
断熱プレートと前記ガスケットの反力を調節したことを
特徴とする断熱ピストンに関する。

【０００８】

【作用】この発明による断熱ピストンは、以上のように
構成されており、次のように作用する。この断熱ピスト
ンは、結合リングを構成する金属部材とピストンスカー
トの上端壁部の結合部分を加熱して塑性変形させ、前記
金属部材を前記ピストンスカートの取付孔とピストンヘ
ッドの取付軸部の間及び前記取付軸部の外周面に形成し
た周方向溝部に嵌入すると共に、前記上端壁部を前記ピ
ストンヘッドのクラウン部側へ押圧したので、両者間の
断熱プレート及びガスケットの反力を最適状態にコント
ロールでき、良好なシール状態を確保でき、且つ前記ピ
ストンヘッドと前記ピストンスカートの対向面の加工精
度を要求されなくて済む。しかも、前記断熱プレートが
破損しないように該断熱プレートの反力をコントロール
でき、前記ピストンスカートの前記上端壁部の前記結合
部分が塑性変形して前記断熱プレートに密着するので、
前記断熱プレートには、ピストンの往復運動或いは熱負
荷による外力がかかったとしても、偏荷重とはならない
ので、前記断熱プレートの亀裂、割れ等の発生を避ける
ことができ、信頼製に富んだシール状態及び断熱状態を
確保することができる。

【０００９】

【実施例】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
熱ピストンの実施例を全体的に示す断面図、図２は図１
の断熱ピストンの組立前の状態を示す要部の一部拡大断
面図、及び図３は図１の断熱ピストンの組立後の状態を
示す要部の一部拡大断面図である。図１、図２及び図３
に示す断熱ピストンの部品に付した符号は、図４に示す
断熱ピストンの部品と同一の部品には同一の符号を付し
ている。

【００１０】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と該ピストンヘッド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、サーメット等のセラミック材料或いは
複合材料で製作され、また、ピストンスカート２はアル
ミニウム合金（Ａｌ）、鋳鉄（ＦＣ）等の金属材料から
製作されている。ピストンヘッド１は、クラウン部８、
該クラウン部８の周囲から下方に伸びる外周リング部２
０及びクラウン部８の中央付近から下方に伸びる取付部
を構成する取付軸部３を有している。ピストンスカート
２は、取付軸部３が嵌合する中央に取付孔５を形成した
上端壁部４を有している。また、ピストンヘッド１の取
付軸部３の外周には、メタルフロー金属が塑性変形で嵌
入するように周方向溝部９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、メタルフロー金属
が周方向溝部９に塑性流動で嵌入されて硬化したメタル
フロー金属部材即ち結合リング６によって固定されてい
る。

【００１１】この断熱ピストンは、ピストンヘッド１の
クラウン部８の下面１２とピストンスカート２の上端壁
部４の上面１３との間に形成される空間部１１に、部分
安定化ジルコニア（マグネシア系ジルコニア）、ムライ
トとチタン酸アルミニウムの複合材等のセラミックスの
低熱伝導材料から製作された断熱プレート７が介在して
いる。断熱プレート７は、取付軸部３と取付孔５との近
傍即ち中央の取付軸部３の周囲に配置され、ピストンヘ
ッド１のクラウン部８とシリンダ内を摺動運動するピス
トンスカート２の上端壁部４との間を断熱するために配
置されている。また、ピストンヘッド１の外周リング部
２０の下端面１４とピストンスカート２の上端壁部４の
外周上端面１５との間には、例えば、カーボンシールに
よるシール機能と断熱材による断熱機能を有するガスケ
ット１０が配置されている。なお、ガスケット１０は、
図では、１つの部材として示されているが、図５に示す
ように、外周側に断熱材を且つ内周側にカーボンシール
を配置するように構成できることが勿論である。

【００１２】この断熱ピストンにおいて、ピストンヘッ
ド１とピストンスカート２とは、次のようにして組立て
ることができる。先ず、ピストンヘッド１のクラウン部
８の頂面１８を組付ベース１９上に設置すると共に、ピ
ストンヘッド１の取付軸部３にリング状の断熱プレート
７を嵌合してクラウン部８の下面１２上に配置する。更
に、ピストンヘッド１のクラウン部８の周囲から下方に
伸びる外周リング部２０の下端面１４上に、リング状ガ
スケット１０を配置する。次いで、ピストンヘッド１の
取付軸部３にピストンスカート２の上端壁部４の取付孔
５を嵌合し、外周リング部２０の下端面１４をピストン
スカート２の上端壁部４の周囲上端面１５に対向させ、
クラウン部８の下面１２と上端壁部４の上面１３との間
に断熱プレート７を且つ外周リング部２０の下端面１４
と上端壁部４の周囲上端面１５との間にガスケット１０
が位置するように設定する。

【００１３】ピストンヘッド１上にピストンスカート２
を設定した状態では、ピストンヘッド１のクラウン部８
の下面１２上に配置された断熱プレート７の面と、ピス
トンスカート２の上端壁部４の上面１３との間には、若
干の隙間２５が存在する状態でもよい。即ち、ピストン
ヘッド１のクラウン部８の下面１２とピストンスカート
２の上端壁部４の上面１３とは、互いに高精度に加工す
る必要がなく、両者を対向させた場合に、両者はある程
度整合すれば十分である。

【００１４】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、結合リング６のメタルフロー即ち塑性
変形によって互いに固定する。即ち、ピストンヘッド１
の取付軸部３の外周面２１とピストンスカート２の上端
壁部４に形成した大径孔１７との間に形成された穴部
に、結合リング６となるメタルフロー金属部材を配置す
る。高周波コイル等の加熱手段２２でメタルフロー金属
及びピストンスカート２の上端壁部４の結合部分２４を
加熱し、メタルフロー金属と結合部分２４とを高温に昇
温し、プレス用治具２３によってメタルフロー金属を押
圧することによってメタルフロー金属を塑性変形させて
穴部に嵌入即ち侵入させると共に、取付軸部３の周方向
溝部９にメタルフロー金属を塑性変形で侵入させると共
に、特に、図２の矢印Ａで示す方向にピストンスカート
２の上端壁部４の結合部分２４を塑性変形させて、図３
に示すように、結合部分２４を断熱プレート７に密着さ
せる。次いで、高周波コイル等の加熱手段２２によるメ
タルフロー金属及び結合部分２４の加熱を停止し、メタ
ルフロー金属及び結合部分２４を硬化させ、メタルフロ
ー金属は金属部材即ち結合リング６となってピストンヘ
ッド１とピストンスカート２とを強固に固定する。

【００１５】従って、ピストンヘッド１とピストンスカ
ート２とを結合するためのメタルフロー時に、ピストン
スカート２の上端壁部４の結合部分２４にメタルフロー
荷重即ち押圧荷重がかかり、ピストンスカート２の上端
壁部４の取付孔５近傍が若干塑性変形を起こし、図３に
示すように、結合部分２４が断熱プレート７に密着す
る。従って、ピストンヘッド１のクラウン部８の下面１
２及び下端面１４と、ピストンスカート２の上端壁部４
の上面１３及び上端面１５との対向部分に対する加工精
度を高精度に加工する必要がなく、結合部分２４の塑性
変形で加工精度上の問題を吸収することができる。それ
故、ピストンヘッド１とピストンスカート２との加工コ
ストを低減することができる。

【００１６】ところで、従来の断熱ピストンを組み立て
る場合に、ピストンヘッドとピストンスカートとの組付
けでは、ピストンヘッドとピストンスカートとの寸法精
度に従ってガスケットと断熱プレートとの反力は決定し
ていた。そのため、ガスケットと断熱プレートとの反力
をコントロールする場合には、ピストンヘッドとピスト
ンスカートとの寸法精度を１〜２μｍの加工精度の範囲
でコントロールする必要があった。

【００１７】この発明による断熱ピストンについては、
特に、ピストンヘッド１とピストンスカート２とを上記
のようにメタルフロー金属部材即ち結合リング６の塑性
変形によって固定すると共に、ピストンスカート２の上
端壁部４の結合部分２４を塑性変形させる構成を有する
ので、結合リング６と結合部分２４の塑性変形の程度を
コントロールすることで、断熱プレート７及びガスケッ
ト１０に発生する反力の大きさを自由にコントロールす
ることができる。従って、断熱プレート７及びガスケッ
ト１０の反力を最適状態にコントロールすることで、ピ
ストンがその往復運動及び熱負荷等による外力を受けた
としても、ピストンヘッド１とピストンスカート２との
間のシール状態を良好に維持でき、しかも介在している
セラミック製の断熱プレート７及びガスケット１０が亀
裂、割れ、破損等に到ることがなく、断熱プレート７及
びガスケット１０は十分に強度を確保され、製品の信頼
性及び耐久性に富んだピストンを提供することができ
る。

【００１８】

【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、次のような効果を有する。この断
熱ピストンは、結合リングとなるメタルフロー金属部材
とピストンスカートの上端壁部の結合部分を加熱して塑
性変形させ、前記結合リングを前記ピストンスカートの
取付孔とピストンヘッドの取付軸部の間及び前記取付軸
部の外周面に形成した周方向溝部に嵌入すると共に、前
記上端壁部を前記ピストンヘッドのクラウン部側へ押圧
して両者を組付けたので、前記ピストンヘッドと前記ピ
ストンスカートとの間に介在している断熱プレートとガ
スケットの反力を自由にコントロールすることができ
る。前記クラウン部と前記上端壁部との間に配置した断
熱プレートの反力は自由に最適状態にコントロールでき
るので、前記断熱プレートに接触応力、繰り返し応力が
かかったとしても、前記断熱プレート及び前記ガスケッ
トに亀裂、割れ等の発生を避けることができ、良好なシ
ール状態を維持できることは勿論のこと、前記断熱プレ
ートの耐久性を確保し、良好な断熱性を維持できる。ま
た、前記ピストンヘッドと前記ピストンスカートとの寸
法精度を高精度に加工する必要がなく、加工コストを大
幅に低減できる。

【００１９】また、この断熱ピストンにおいて、前記断
熱プレートの上下面は、前記ピストンスカートの結合部
分が塑性変形することによって、前記ピストンヘッドの
クラウン部の下面と前記ピストンスカートの前記上端壁
部の上面との間で密着状態に配置されているので、接触
荷重は前記断熱プレートに均一に作用し、偏荷重のかか
るのを避けることができ、前記断熱プレートの強度を確
保でき、前記断熱プレートの割れを防止でき、耐久性を
向上できると共に、断熱性を維持できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明による断熱ピストンの実施例を全体的
に示す断面図である。

【図２】図１の断熱ピストンの組付け前の状態を示す要
部の一部拡大断面図である。

【図３】図１の断熱ピストンの組付け後の状態を示す要
部の一部拡大断面図である。

【図４】従来の断熱ピストンの一例を示す断面図であ
る。

【符号の説明】

１ ピストンヘッド ２ ピストンスカート ３ 取付軸部 ４ 上端壁部 ５ 取付孔 ６ 結合リング（メタルフロー金属部材） ７ 断熱プレート ８ クラウン部 ９ 周方向溝部 １０ ガスケット １２ 下面 １３ 上面 １４ 下端面 １５ 上端面 １９ 組立てベース ２０ 外周リング部 ２２ 高周波コイル ２３ プレス治具 ２４ 結合部分 ２５ 隙間

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】 金属製上端壁部に取付孔を形成したピス
   トンスカート、前記取付孔に嵌合する取付軸部とを備え
   たセラミック製ピストンヘッド、前記上端壁部の上面と
   前記ピストンヘッドのクラウン部の下面の間に配置した
   断熱プレートとガスケット、及び前記ピストンスカート
   と前記ピストンヘッドを結合する金属製結合リングを有
   する断熱ピストンにおいて、前記結合リングを構成する
   金属部材と前記上端壁部の結合部分を加熱して塑性変形
   させ、前記金属部材を前記取付孔と前記取付軸部の間及
   び前記取付軸部の外周面に形成した周方向溝部に嵌入す
   ると共に、前記結合部分を前記断熱プレートに密着さ
   せ、前記上端壁部を前記クラウン部側へ押圧することで
   前記断熱プレートと前記ガスケットの反力を調節したこ
   とを特徴とする断熱ピストン。