JPS63275892A - 断熱体 - 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、短時間の閂に高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に
関する。

［従来の技術］ 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回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
燃機関のビスｌ−ンが挙げられる。そしてこのピストン
のビス１〜ンヘツ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
熱構造が採用されている（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一〇
は、次のようなものが知られている。

■　機械要素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要素
の受熱表層面に取り付けてセラミック材の高温特性と空
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１２図に示ずように、ピスト
ンａのピストンヘッドｂ並びに燃焼室Ｃの内壁ｄの表面
ａ、ｆに、断熱構造として採用されている。

［発明が解決しようとする問題点］ ところで、上述した■の断熱構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
厚く大きな休「■で形成され一〇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９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でポリ）に比べＶイ
クルに亘って１１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１
０図に示すように吸入空気の体積効率（充填効率）を低
下させて結果的に燃焼効率や、第１１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（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、
コストアップを招く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、Ｑ〕の断熱構〕告は、多孔質であるため強度面に
おいてその信頼性が懸念される。また、このような断熱
ｆａ″ｌＩｉ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・耐久性に欠け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■、■の断熱構造にあっては、燃焼室等の壁
面温度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、壁面温瓜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９図〜第１
１図中、Ｅで示す）。

［問題点を解決するための手段］ 本発明は、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
着座して表皮を支持しつつこれら間に断熱空間を区画形
成する薄膜状の構造材とを一体的に形成すると共に、断
熱空間に外圧を支承する加圧ガスを封入して構成される
。

［作　用］ 本発明の作用について述べると、全体を薄膜状に形成す
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ａｖ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
果を確保する。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要素へ
の伝熱を規制して断熱作用を得る。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。殊に、断熱空間に加圧ガスを封入すること
により、この断熱空間を区画する表皮に加わる外圧を、
加圧ガスによる断熱空間内圧で支承させて、加わる外圧
を見）１トは上小さくするようになっている。

［実施例］ 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
。

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℃というルめて急ｍな温度変化を受けるディービル
式内燃機関のピストンを例にとって説明する。

第２図及び第４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薄膜状の表
皮３と、この表皮３の裏面にこれより表面２側へ垂下さ
れ表面２上に着座し−Ｃ表皮３を支持しつつこの表皮３
と慣械要索゛１の表面２との間に断熱空間４を区画形成
する肋膜状の構造材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、金属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
度変化しつつ機械要素１に対してはその表面２を覆って
熱サイクルの影響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。

更に具体的に説明すると断熱体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↑ｊ４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間に掛け渡される薄膜状の
アーチ而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、且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、Ｌ縁
に接続される。断熱空間４は、側方が壁材７に区画され
上方がアーチ而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。

そして殊にこの断熱空間４には、第１図に示すように、
外圧を支承させるための加圧ガスが封入される。この断
熱空間４への加圧ガスの封入は、１＄１体で形成される
断熱体６を機械要素１の表面２上にロー付けや接着等に
より貼付する工程を、加圧容器中で行なうことにより達
成される。

次に、１ス上のような構成における熱対策上の特長を説
明する。

■アーチ面８（表皮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温度が変化する受熱部
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
響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。即ち熱サイクルに４
３いて、高温時には低熱容量の表皮３等で瞬時に受熱し
全体が高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。

本所熱体６をディーゼル式内燃機関のピストンヘッドや
燃焼室の車面に設けた場合を例にと−）で説明すると、
機関の吸気から排気行程に亘る熱１Ｊイクルにおけるこ
れら甲面の温度は第９図に示すように、圧縮行程の＠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１０図及び第１１図に示すように、吸気
行程における燃焼室等の壁面湿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
温度を高り１９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づることができ
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湿度変化させてシリンダ内の
環現を改善しつつ、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ｉｉｌ状に形成しているので、第５
図に示すように表皮３で受けた熱の機械要素１への移動
（熱伝ｊり　）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、この壁材７の厚さを、表皮３側よりも機械要
素１側で薄く形成していることにより、表皮３で受けｌ
ｃ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。

σ）　更に、アーチ面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／　ｍ、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麿上の特
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右利な圧縮応力
を受ける構造とし、薄膜化を）！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、個々のノ７−ヂ面８
には第５図に示すように圧縮応力が作用するようになっ
ている二また壁材７にし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けるアーチ面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。

■　上述したような断熱体６の薄膜化を進めて表皮３等
を薄くしてゆくと、第６図に破線で示すように、シリン
ダ内の燃焼圧力等の外圧によって表皮３が下方ｌ＼沈み
込んで凹むことになる。外圧としては、一般的な無過給
の直接噴射式ディーゼル機関で７０〜９０ｋｇ／ｃｍ２
　、過給式機関で１００〜１５０’＋９ｚ”Ｃ１１１２
にし達する。イしてこのような凹み変形が、内燃機関の
シリンダ内圧（第８図中、Ｇ参照）の変動？７極めて短
い周期で繰り返される場合には、構造強度の確保、構造
の信頼性の面から好ましい乙のではない。

ここに、このような表皮３のＪｔｉ　ｌ＃を抑えるため
に厚みを増すと今度は熱容量が大きくなり、第８図に「
で示すように、表皮３の温度を熱リイクルに十分に追従
させることができず、上述の熱的改善（図中、Ｃで示１
）を達成できなくなる。

そこで本発明にあっては、表皮３等を薄く形成しつつ構
造上の健全性を確保できるように、第１図に示すごとく
外圧を支承する加圧ガスを断熱空間４に封入するように
なっている。このように構成ずれば、加圧ガスにより外
圧を相当相殺させて、表皮３′ｓに作用する見掛け上の
圧力を小さくすることができ、薄膜化をｊ構成しつつ構
造強度を確保することができる。

尚、断熱空間４に封入される加圧ガスは、凹のアーチ面
１１に作用することから、表皮３の裏面側に？ｉ　Ｔの
引張応力を発生さゼる傾向にあるため、加圧ガスの封入
圧力は作用外圧よりも小さく、且つ断熱体６の素材の引
張強度を超えない大きさに設定することが好ましい。例
えば、上述の７０〜１５０ｋｏ　／ｃｍ２の外圧に対し
ては、１０〜５０ｋｇ／　ａｍ２が適当と考えられる。

■　構造月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＠膜化を図ることができる
。

■　更に、アーチ而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２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
。

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にロー付けや接着等により貼付することになる。

ところで上述した本断熱体６は、低熱容量とするための
薄膜化と必要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素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、下記の諸元で設計づ
ることが好ましいとにえられる（第２図拳照）。

壁材７の中心間距離Ｌ ：０，０３＜Ｌ≦０．５（ｍｍ） アーチ面８の最大高さ１−４ ：（１，０３＜Ｈ≦　ｉ、ｏ（ｍｍ） 壁材７の厚さＢ ：　　０．００２＜　Ｂ≦　０．２５　　←Ｉ）アーチ
面８の中央部厚さｔ ：　　０，００１　＜　ｔ　≦　０．３５　　（ｍｍ）
アーチ面８の受熱側曲率半径Ｒ１ ：　Ｒ１’ａ　２Ｌ　（ａｍ） アーチ面８の受熱側反対面゛の曲率半径Ｒ２：Ｒ２≦Ｒ
１ アーチ面８と壁材７どの接続部１０曲率半径ｒ”１：Ｂ
／２≦　ｒ１≦Ｌ／２（ｍｌ゛） ７−チ而８相ｎの接続部９曲率半径ｒ２：ｒ１≦　ｒ２
≦Ｒ２（ｍｌ） 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（ＺｒＯ２）で約４００
℃の壁面湿度振幅（最高温度と（ｙ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さた。

また窒化珪素（ＳｉｔＮ４）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。

記 Ｈ＝　　１．０ｍｍ、　　Ｌ　−１，２ｍｍ、　　Ｂ−
０，２ｍｍ、　　　　ｔ　　＝０．２５ｎ＋ｍ　　、　
　Ｒｔ　　＝４ｍｍ　　、、ｒｔ　　＝　　０．５ｍｍ
、　　　ｒ２−０．８ｍｍ 第２図には変形例が示されており、図示づるようにアー
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。このようにづれば、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ｊワが厚くなっ
て構造強度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、六角形等であっても良い。

［発明の効果］ 以上型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。

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着座して
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
膜状の構造材とを一体的に形成し−（構成したので、全
体を薄膜状に形成した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湿度変化さＶることができ
ると共に、この低熱容量の暑膜で囲ｌυ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できる。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、構造材を介してのは械要素への伝熱を規制し断熱
作用を得ることができる。そしてこのような薄膜化横道
を、表皮と構造材どの構成で高効率な構造強度で溝築す
ることができる。

殊に、断熱空間に外圧を支承づる加圧ガスを封入して断
熱体に作用する外圧を見掛け上小さくすることができ、
必要強度を補って断熱体の薄膜化を達成することができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は木宛明ｑ−好適−実施例における圧力状態を示
す要部拡大断面図、第２図は本発明の好適一実施例の構
造を示す要部拡大断面図、第３図は他の実施例の構造を
示す要部拡大断面図、第４図はその全体を示す一部破断
斜視図、第５図は圧力の作用と熱の流れを説明する図、
第６図は圧力の作用による表皮の状態を示す要部拡大断
面図、第７図は機械要素としてのディーピル式内燃機関
のピストンｌ＼の取付は状態を示す側面図、第８図はデ
ィーゼル式内燃機関のサイクルと壁面温度及びシリンダ
内圧力どの関係を示すグラフ、第９図はディーゼル式内
燃機関のサイクルと壁面温度どの関係を示すグラフ、第
１０図は吸気行程終了時のガス温と体積効率とのｒ！Ａ
係を示すグラフ、第１１図は各種断熱構造と゛　燃費と
の関係を示すグラフ、第１２図は従来の断熱構造を適用
したディービル式内燃機関のピストンを示ず側断面図で
ある。 図中、１は機械要素、２はその表面、３は表皮、４は断
熱空間、５は構造材、７は壁材、８はアーヂ面である。 特許出願人　　いｔず自動車株式会社 代理人弁理士　絹　　谷　　信　　維 第２図 第３図 工 第６図 第７図 顯気　　　虜　　≦達　　排気 Ｑ少、扼デ寸茅呈φ望ト了１１−ガ文占為ｋｃ℃）第１
１図

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）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、上記機械要素の表面上に
   着座して上記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構造材とを一体的に形成すると共に
   、上記断熱空間に外圧を支承する加圧ガスを封入したこ
   とを特徴とする断熱体。
2. （２）上記薄膜状の表皮及び構造材が、圧縮強度の高い
   断熱性材料で形成された前記特許請求の範囲第１項記載
   の断熱体。
3. （３）上記構造材が、上記表皮で受けた熱の上記機械要
   素への伝達を規制するために、表皮側よりも機械要素側
   で薄く形成された前記特許請求の範囲第１項または第２
   項いずれかの項に記載の断熱体。
4. （４）上記構造材が、上記機械要素の表面上に沿ってハ
   ニカム構造を形成する薄膜状の壁材で構成された前記特
   許請求の範囲第１項〜第３項いずれかの項に記載の断熱
   体。
5. （５）上記表皮が、ハニカム構造を形成する薄膜状の上
   記壁材間に掛け渡される薄膜状のアーチ面を集合して構
   成され、これら壁材と一体的に形成された前記特許請求
   の範囲第４項記載の断熱体。