JPS63272951A - 断熱体の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、短時間の間に＾温と低温との間で繰り返され
る温度変化を受ける機械要素に採用して好適な断熱体の
製造方法に関する。

［従来の技術１ 様々な装置、構造等に採用される各種機械要素の中には
、短時間の間に高温から低温にｎる温度変化を繰り返し
受けるものがあり、その代表例としてはディーゼル式内
燃機関のピストンが挙げられる。そしてこのピストンの
ピストンヘッド及びこのピストンヘッドに形成される燃
焼室の内壁面には、熱効率向上の観点から様々な断熱構
造が採用され一〇いる（特開昭５６−１４３３２８号公
報等）。従来における断熱構造の代表的な例とし−（は
、次のようなものが知られている。

■　機械９！索の受熱表層面よりも内部に単に空隙を形
成し、これを断熱空気層としたもの、■　断熱材として
固形物（モノリス）のセラミック材を採用し、このセラ
ミック材と空気層とを層状に組み合わせたものを機械￥
５索の受熱表層面に取り付けてセラミック材の＾温特性
と空気の低熱伝導性とを利用して構成したもの、■　機
械要素の受熱表層面に、セラミック材を溶射したり、多
孔質状のセラミック材を貼付したりすることにより、セ
ラミック材の内部の孔質部分に空気層を形成したものが
ある。

そして、これらは例えば第１９図に示づように、ピスト
ンａのピストンヘッドｂ並びに燃焼ｖＣの内壁ｄの表面
ｅ、ｆに、断熱構造として採用されている。

ところで、上述した■の所熱Ｓ造は機械強度等の観点か
ら、断熱空気層が形成される機械要素の受熱表層部分が
厚く大きな体積で形成されてその部分の熱容量が大きな
ものとなっており、その結果機械要素の受熱部分の温度
が高温に維持されることとなっていた。ディーゼル式内
燃機関のピストンヘッドｂや燃焼室Ｃに例をとれば、第
１６図に示すようにこれらの壁面温度は、断熱構造を有
しない通常のピストン（図中、Ｄで示づ）に比ベサイク
ルに亘ってＩ３温に維持される。このことは、燃焼行程
における熱効率を上げることはできるが、他方吸入行程
において吸入空気を加熱してその膨張を助長し、第１７
図に示すように吸入空気の体積効率（充填効率）を低Ｔ
・させて結果的に燃焼効率や、第１８図に示すように燃
費の悪化をもたらすことになっていたく図中、Ａで示す
）。

また■の断熱構造では、モノリスで成るセラミック材の
材料費が一般的な金属材料の１０〜１００倍もかかり、
コストアップを１８　＜という問題があった。またセラ
ミック材は引張強度が低いため、そのままでは熱応力等
に対する耐久性・信頼性に疑問があった。更に空気層と
組み合わせて使用するものの、セラミック材と機械要素
との接合部分並びに空気層をシールするためのシール部
分等で機械要素への伝熱が相当大きく、十分な断熱性を
得ることができなかった。

他方、■の断熱構造は、多孔質であるため強痕面におい
てその信頼性が懸念される。また、このような断熱構造
を上述の燃焼室等に利用した場合には、高温・高圧ガス
が多孔質部分に侵入することとなり、信頼性・耐久性に
欠【プると共に断熱性能を十分に発揮できなくなるとい
う問題があった。

更にこれら■、■の断熱１ｌＩＸ造にあっては、燃焼室
等の壁面ｆｆ１ｉを低く抑えることができ吸気の体積効
率を上げることができる一方で、壁面温度の低さから燃
焼効率が低下し、この面から燃費が悪化すると共に、未
燃分の排出等排ガスが劣化するという問題があった（第
１６図〜第１８図中、［で示す）。

ここに、温度変化を受ける機械要素の表面を被覆して受
熱面を形成する薄膜状の表皮と、機械要素の表面上に７
１座して表皮を支持しつつこれら間に断熱空間を区画形
成する薄膜状のａ造材とを一体的に形成して、全体をＢ
ＩＱ状に形成することにより受熱部分を低熱容量化して
熱サイクルに追従させて温度変化させると共に、この低
熱容量の薄膜で囲んだ断熱空間で機械要素に対する必要
十分な断熱効果を確保し、また薄膜化により、熱の流れ
に対する絞り効果を確保して、表皮、構造材を−介して
の機械訝素への伝熱を規制して断熱作用を得、そしてこ
のような薄膜化構造を、表皮と構造材との構成で高効率
な構造強度で構築することが考えられる。

［発明が解決しようとする問題点］ ところで従来、このような極めて膜厚の薄い断熱体を製
造するのに適した製造方法がなく、その案出が望まれて
いた。

［問題点を解決するための手段と作用］本発明は、表面
と幅狭な溝部とでＭ膜状の断熱体の外形形状を呈する外
形を￥ｉＪる雌型を形成し、次いで雌型の外形上に断熱
体素材をＣＶＤコーティングし、最後に雌型を取り除く
ようにして、断熱体を製造するようになっている。

［実施例１ 以下に本発明の好適実施例を添付図面に従って詳述する
。先ず、本発明の対象となる薄膜状の断熱体について説
明する。

本実施例にあっては、機械要素として数１／１００秒と
いう　１サイクルの極めて短時間の間に、２００℃〜８
００℃という極めて急激な温度変化を受けるディーゼル
式内燃機関のピストンを例にとることにする。

第１１図及び第゛１３図に示すように、短時間の間に高
温から低温に亘る温度変化を繰り返し受ける機械要素１
の受熱側となるピストンヘッド等の表面２には、その上
方に間隔を隔てて表面を被覆して受熱面を形成する＠膜
状の表皮３と、この表皮３の整面にこれより表面２側へ
垂下され表面２上に着座して表皮３を支持しつつこの表
皮３と機械要素１の表面２との間に断熱空間４を区画形
成する薄膜状の構造材５とが一体的に形成されて成る断
熱体６が設けられる。これら表皮３と構造材５とから成
る断熱体６は、金Ｂ材又はセラミック材等の一般的な断
熱性材料で形成され、それ自体は熱サイクルに追従して
温反変化しつつ機械要素１に対してはその表面２を覆っ
て熱サイクルの彰胃を抑制する断熱性を発揮する機械要
素゛１の受熱部として機能する。

更に具体的にＭ２明すると断熱体６は、その構造材５が
機械要素１の表面２上に沿ってハニカム構造を形成する
薄膜状の壁材７で構成されると共に、表皮３がハニカム
構造を成す薄膜状の壁材７間に掛番ブ渡される薄膜状の
７一チ面８を集合して構成され、これら各アーチ而８は
各壁材７と一体的に形成される。壁材７は夫々機械要素
１の表面２上に起立され、ｎつ互いに側縁が接続されて
ハニカム形状を構成し、各アーチ而８はその周縁が互い
に接続されると共にその接続部分９が壁材７の上縁に接
続される。断熱空間４は、側方が壁材７に区画され上方
がアーチ百８に区画されて機械要素１の表面２上に複数
ハニカム状に配列される。

次に、以上のような構成における熱対策上の特１ｋを説
明する。

■、アーチ而８（８皮３）及び壁材７（構造材５）は薄
膜状に形成され低熱容量となっている。そしてこの低熱
容量の構造に区画させて断熱空間４が形成されている。

これにより、熱サイクルに追従して′１Ａｆｌ＆が変化
する受熱部分を構成することができ、単に受熱表層面の
熱容量を大きくして熱サイクルとは無関係に機械要素゛
１への熱的影費を阻止する断熱構造に比べて、的確且つ
必要十分な断熱作用を発揮させることができる。即ち熱
ザイクルにおいて、高温時には低熱容量の表皮３等で瞬
時に受熱し全体が＾温に達しつつ機械要素゛１に対して
は断熱空間４が充分な断熱効果を発揮し、他方低温時に
は受けた熱を低熱容量の表皮３等から瞬時に発散して全
体が低温に移行しつつ機械要素１に対しては断熱空間４
で必要な断熱効果を発揮する。

本断熱体６をディーゼル式内燃機関のピストンヘッドや
燃焼室の壁面に設番ノだ場合を例にとって説明すると、
機関の吸気から排気行程に回る熱サイクルにおけるこれ
ら壁面の１！痕は第１６図に示すように、圧縮行程の最
終段階から燃焼行程に亘るシリンダ内温度の昇温期間中
には断熱体６が受熱して高められると共に、他方燃焼に
よる膨張過程から排気、吸気に亘るシリンダ内温度の降
下期間中には断熱体６が効率良く熱を放出して降下され
る。これにより第１７図及び第１８図に示すように、吸
気行程における燃焼室等の壁面温度を下げて吸気の体積
効率を上げることができると共に、燃焼行程における壁
面ｔｕｂを高く得て燃焼効率を向上させて燃費を改善で
き、上述した従来例における問題点を解決することがで
きる（図中、Ｃで示す）。そしてこのように表皮３等の
受熱面を熱サイクルに応じて編麿変化させてシリンダ内
の環境をａ善しつつ、断熱空間４が機械要素１としての
ピストンに対する断熱作用を発揮し熱的悪°影響を阻止
するようになっている。

■　また、壁材７を薄膜状に形成しているので、第１４
図に示すように表皮３で受１ノだ熱の機械要素１への移
動（熱伝導）に対し、その熱流を絞る効果を発揮させる
ことができ、この面からも断熱性を高めることができる
。

■　更に、このＶｅ材７の厚さを、表皮３側よりも機械
製＊１側で薄く形成していることにより、表皮３で交番
ノだ熱の機械要素′１への伝達を絞り効果で更に規制し
て、より断熱効果を高めることができる。

■　更に、アーチ百８の曲率半径を大きくして平坦面に
近く形成しているので、受熱表面積を減少でき、また体
積を抑えて熱容量を削減できる。

■　材質としては、熱伝導率が２０ｋｃａｌ／ｇ＋、ｈ
、’ｃ以下で８５０℃以上の耐熱性を有するものが好ま
しい。

次に、上述した薄膜化を達成するための構造強度上の特
長について説明する。

■　本構造は基本的には、引張応力を受ける部分をでき
る限り排除して、構造強度の確保の上で有利な圧縮応力
を受ける構造とし、薄膜化を達成できるようにしている
。材質としては、圧縮強度の高いセラミック材、金属材
等の断熱性材料が採用される。表皮３は、高効率な強度
を発揮するアーチ面８の殻構造で構成される。殊に内燃
機関のシリンダ内には燃焼による高いシリンダ内圧力が
壁面に作用するが、この圧力を受ける表皮３は上方に凸
のアーチ面８の集合で形成され、個々のｉｌ−チ面８に
は第１４図に示づように圧縮応力が作用するようになっ
ている。また！ｔＵ７にも上方から圧縮応力が作用する
ようになっている。また熱サイクルにお番プる７一チ面
８の膨張に際しても、隣接部分によりアーチ面８の膨張
が抑えられて圧縮熱応力が作用するようになっている。

■　構造材５が全体としてハニカム状の等方性の殻構造
を構成しており、全体的に強度高く構成される。従って
、壁材７並びにアーチ面８の薄膜化を図ることができる
。

■　更に、アーチ面８相互の接続部９並びにこの接続部
９と壁材７との接続部１０は、第１１図に示すように丸
みをもたせて滑らかに形成され、応力緩和が図られてい
る。

尚、以上の構造を簡略化した類似の構造として第゛１５
図に示すように、機械要素１の表面２上に適宜のピッチ
でアーチ状の断熱部材１１を被覆し、この断熱部材１１
と機械要素１との間に断熱空間１２を形成することが考
えられるが、本断熱体６と比べて、受熱表面積が広く、
またアーチ部分１３相互の接続部１４での機械質素１へ
の伝熱が多く、また構造に方向性がある等の改善を必要
とする点がある。

ところで上述した本断熱体６は、低熱容量とするための
薄膜化と心髄強度との関係において設計される。本発明
者が必要最低強度の木材として選定したステンレス鋼等
の鉄系材料について解析した結果、下記の諸元で設Ｋ］
することが好ましいと考えられる（第１１図参照）。

壁材７の中心間距ＭＬ ：０．０３＜Ｌ≦０．５（ｍｍ） アーチ面８の最大高さＨ ：　　０．０３　＜１１≦　１．０（ｍｉｄ）壁４１７
の厚さＢ ：　　０．００２＜［３≦　０．２５　　（＋ｍ）アー
チ面８の中央部厚さｔ ：　　０，００１＜ｔ　≦　０．３５（ＩＩＩＩｌｌ）
アーチ面８の受熱側曲率半径Ｒ１ ：Ｒ１≧２１（ｍｉｄ） アーチ面８の受熱側反対面の曲率半径Ｒ２：Ｒ２≦Ｒ１ アーチ面８と壁材７との接続部１０曲率半径「１：Ｂ／
２≦「１≦Ｌ／２　　（１１１１）アーチ百８相互の接
続部９曲率半径「２：ｒ１≦「２≦Ｒ２（Ｉｍ＞ 更に、本発明者が解析したところによれば、以下に示す
諸元を有する酸化ジルコニウム（Ｚｒ０２）で約４００
℃の壁面温度振幅（最８渇麿と最低温度との差）を得る
ことができ、２．５〜３％の燃費向上を達成できた。ま
た窒化珪素（Ｓ１３ＮＡ＞では約１２０℃の温度振幅を
確保でき、約゛１％の燃費向上を図ることができた。

ト１　−　　１．Ｏａ＋ｍ、　　　ｌ−−１，２ｍｍ、
　　　３　−　　０．２１．　　　　　　ｔ　　　−０
，２５＋ｅｓ　　、　　Ｒｔ　　−４ａ＋ｍ　　、　　
ｒｔ　　−０，５ｎｕＩｌ、　　ｒ２−０．８１１ｍ 第゛１２図には変形例が示されており、図示するように
アーチ面８は、その中央部から壁材７側に向かって順次
肉厚を増すように形成しても良い。

このようにすれば、更に受熱部分の低熱容量化を確保で
きる。また壁材７とアーチ面８との接続部分１０につい
ては、肉厚が厚くなって構造強１負を高めることができ
る。

尚、ハニカム構造については、六角形状に限らず、四角
形、五角形、五角形等であっても良い。

次に、本発明に係る断熱体の’ＦＪ３！！ｉ力法につい
て説明する。

一般に考えられる製造方法としては、■耐熱金属材を機
械加工する方法、■セラミック材を機械加工する方法、
■セラミック材の型成型による方法等がある。

■の方法では金属材を素材とするため、次のような問題
があった。壁材７は、表皮３から伝達される熱を受ける
と同時に圧縮応力も受けることとなる。一般に金属材は
、セラミック材の１１５程瓜の圧縮強度しかない。そこ
で、強度を確保すべく！Ｕ材７を厚く成型すると、断熱
効果が低下するという問題があった。

■の方法ではセラミック材の硬度との関係で加工が困難
であった。また、快削性のセラミック材では必要強電を
得ることができないという問題があった。

さらに、■の方法では、焼成時の強度と収縮との関係及
び焼成後残留する気孔と強度との関係で不安があった。

ここに本発明にあっては、必要とされる形状の雌型を、
’ｉｌ’ｎ等により気相状態となったり溶融化して液相
状態となったりして形態を失うロストワックス様の素材
で形成し、これにＣｖＤ等の薄いコーティングを施した
後、雌型を取り除く方法によって上記断熱体６を成型す
るようになっている。

まず雌Ｉ：Ｓ’２　’ｌ　５の素材として、本実施例で
は等方性のカーボンのブロックが採用されている（第１
図参照）。カーボンは電気良導体であり放電加工による
成型が容易であるので、これにより第２図に示すように
ハニカム形状を素材に形成する。この際、雌型゛１５の
表面には、表皮３のアーチ面８を成型するための表皮成
型百１６を形成すると共に、表面より陥没さけて壁ｖＪ
７を成型するための溝部１７を形成する（第３図参照）
。

次いで、ＣＶＤコーティングを施す。ＣＶＤコーティン
グとは、ａ　＃４１には気相析出しようとする物質を成
分とする試薬のペーパーをキャリアガスにより高温化し
た基板の面上に送り、その面上では気相の試薬ペーパー
と主１１リアガスの混合ガスが固相の基板に接触して置
換、還元、分解などの高温化学反応により、所定の物質
を基板表面に析出させて基板表面に被覆を得るドライシ
ステムの手法である。このＣＶＤは、焼結助剤等を使用
しないため、無気孔、緻密で純粋均質なコーティングを
得ることができる。ここに本実施例では、断熱体６の素
材として窒化珪素（Ｓｉ　３　Ｎ４）を採用してそのペ
ーパーを無酸化雰囲気の下でカーボンの雌型１５表面上
に送るようにし、これによってＣＶＤコーティングを１
１寸（第４図参照）。

次いで、機械要素１に取り付けられる取付面１８を機械
加工によって平坦化する（第５図参照）そして、最後に
酸化炉等の酸化雰囲気中で加熱することにより、雌型゛
１５素林のカーボンを酸化し昇華させて断熱体６を得る
（第６図参照）。

尚、断熱体６の取付面の加工は、雌型１５の除去後に行
なっても良い。

そして、このようにして得られた断熱体６を第７図に示
すように、ピストン１９のピストンヘッド２０や燃焼室
２１内にロー付番ノや接着等により貼付することになる
。

さらに、壁材７部分のコーティング層の成型にあっては
、単に溝部１７を形成したのみではその内部にペーパー
が流れ込むことができず、第８図に示すように表皮３部
分しか成型できないおそれがある。これに対しては第９
図及び第゛１０図に示すように、溝部１７の底部にペー
パーの流れを確保する相当の容積を有する空洞ＰＩＩ２
２を形成したり、溝ｔ′Ａ１７の底部にガスを引くため
の通路を接続する等ペーパーの溝部１７への流れを保証
するように構成することが好ましい。

尚、その他のＩＦＪ）？！方法としては、ステンレス素
材を機械加工する方法もある。

［発明の効果］ 以上要するに本発明によれば次のような優れた効果を発
揮する。

表面と幅狭な溝部とで薄膜状の断熱体の外形形状を呈す
る外形を有する雌型を形成し、次いで雌型の外形上に断
熱体素材をＣＶＤコーティングし、最後に雌型を取り除
くようにして断熱体を製造するようにしたので、機械加
工や焼成等による成型の困難性や製品に対する悪影響を
排して、ＣｖＤ］−ティングの特長を活かして機械的性
質の良好な薄膜状の断熱体を製造することができる。

【図面の簡単な説明】

第゛１図〜第６図は本発明に係る断熱体の製造　。 方法を示す工程図、第７図は機械要素としてのディーゼ
ル式内燃機関のピストンへの断熱体の取付は状態を示づ
側面図、第８図はＣＶＤコーティング不良の状態を示す
側断面図、第９図及び第１０図は空洞部を示す側断面図
、第１１図は本発明の′　　対象となるＩＩ！４状の断
熱体を示す要部拡大断面図、第゛１２図は他の断熱体を
示ず要部拡大断面図、第１３図はその全体を示す一部破
断斜視図、第１４図はルカの作用と熱の流れを説明する
図、第１５図は類似する断熱構造の構成例を示す斜視図
、第１６図はディーゼル式内燃機関のサイクルと壁面温
度との関係を示すグラフ、第゛１７図は吸気行程終了時
のガス編と体積効率との関係を示すグラフ、第１８図は
各種断熱構造と燃費との関係を示すグラフ、第１９図は
従来の断熱構造を適用したディーゼル式内燃機関のピス
トンを示す側断面図である。 図中、６は断熱体、１５は雌型、１６はその表面たる表
皮成型面、１７はその溝部である。 ｉｑ 第３図　　　　　第４図 第１５図 紹１１図 第１２図 第１７図 第旧図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 表面と幅狭な溝部とで薄膜状の断熱体の外形形状を呈す
   る外形を有する雌型を形成し、次いで該雌型の外形上に
   断熱体素材をＣＶＤコーテイングし、最後に上記雌型を
   取り除くようにしたことを特徴とする断熱体の製造方法
   。