(57)【要約】      （修正有）【課題】表面処理による断熱層の形成がもたらす、課題の１以上を解決することを目的とする【解決手段】セラミックスと、耐熱樹脂とを含む成形体からなる断熱部材１０。前記成形体中のセラミックス含有量が１体積％以上６０体積％以下であること、及び、チタニア、アルミナ及びジルコニアの群から選ばれる１種以上であることが好ましい。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックスと、耐熱樹脂とを含む成形体からなる断熱部材。
【請求項２】
前記成形体中のセラミックス含有量が１体積％以上６０体積％以下である請求項１に記載の断熱部材。
【請求項３】
前記セラミックスがチタニア、アルミナ及びジルコニアの群から選ばれる１種以上である請求項１又は２に記載の断熱部材。
【請求項４】
前記セラミックスが平均粒子径が０．１μｍ以上１００μｍ以下の粒子である請求項１乃至３のいずれか一項に記載の断熱部材。
【請求項５】
前記耐熱樹脂がエポキシ樹脂、フェノール樹脂、シリコーン樹脂、ポリフェニレンサルファイド及びポリイミドの群から選ばれる１種以上である請求項１乃至４のいずれか一項に記載の断熱部材。
【請求項６】
セラミックスが１〜６０重量％であり、残部が耐熱樹脂である請求項１乃至５のいずれか一項に記載の断熱部材。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか一項に記載の断熱部材を備えるエンジン部品。
【請求項８】
請求項１乃至６のいずれか一項に記載の断熱部材がピストン母材の頂部表面の外周凸部に備えるエンジン部品。
【請求項９】
請求項１乃至６のいずれか一項に記載の断熱部材がピストン母材の頂部表面のキャビティー上に備えるエンジン部品。
【請求項１０】
前記断熱部材が、凹凸嵌合構造、ねじ構造及び嵌め込み構造の群からなる少なくともいずれかによってピストン母材に固定された状態である請求項７乃至９のいずれか一項に記載のエンジン部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、断熱性を有する材料と、これを加工した断熱部品に関する。
【背景技術】
【０００２】
エンジンの効率を低下させる損失は、排気損失、冷却損失、機械抵抗損失及びポンプ損失の４つであり、排気損失及び冷却損失がその半分以上を占めている。さらに、冷却損失は全損失の３０％弱を占めているため、その低減が特に必要である。
【０００３】
冷却損失の低減手段として、ピストンに表面処理を施すことで、燃焼室からの放熱を抑制する方法が提案されている。
【０００４】
特許文献１では、皮膜で覆われた金属多孔体を金属製母体に配することによるエンジンの冷却損失低減のための断熱構造体が提案されている。
【０００５】
特許文献２では、中空の無機酸化物粒子を含む低熱伝導率の材料からなる断熱層を形成し、なおかつ、耐熱性樹脂を使用しながら断熱層の厚さを変化させることによって、その強度を保つことが提案されている。
【０００６】
特許文献３では、エンジン燃焼室に臨む部材の燃焼室壁面にかご型シルセスキオキサン構造を含むシリコーン系樹脂と中空状粒子とを含む断熱層の表層にめっき膜を備えた表面処理を提案している。
【０００７】
また、特許文献４においては、燃焼室を構成する部品表面に断熱材料を配置するだけでなく、ピストン構造やピストンを構成する金属材表面にも新たな手段を設けて提案している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１２−７２７４７号公報
【特許文献２】特開２０１４−２０３００号公報
【特許文献３】特開２０１４−４０８１６号公報
【特許文献４】特開２０１６−２９２００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
エンジン燃焼室を形成する部材は、精密な機械加工がなされているため、エンジン部材自体の表面処理を伴う断熱層の形成は、厚み精度や密着性等の加工困難性を伴う。また、表面処理は、熱処理等の後処理工程を要する場合も多いため製造の煩雑性が増すだけでなく、後処理によりピストン母材が負荷を受けやすい。これに加え、表面処理により形成される断熱層は薄く、繰り返し利用における耐久性が低かった。
【００１０】
本発明は、表面処理による断熱層の形成がもたらす、これらの課題の１以上を解決することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明等は、エンジン燃焼室を形成する部材の観点から冷却損失の低減を検討した。その結果、表面処理を要することなく冷却損失が低減できる断熱部材を見出した。
【００１２】
すなわち、本発明の要旨は以下の通りである。
［１］  セラミックスと、耐熱樹脂とを含む成形体からなる断熱部材。
［２］  前記成形体中のセラミックス含有量が１体積％以上６０体積％以下である上記［１］に記載の断熱部材。
［３］  前記セラミックスがチタニア、アルミナ及びジルコニアの群から選ばれる１種以上である上記［１］又は［２］に記載の断熱部材。
［４］  前記セラミックスが平均粒子径が０．１μｍ以上１００μｍ以下の粒子である上記［１］乃至［３］のいずれかひとつに記載の断熱部材。
［５］  前記耐熱樹脂がエポキシ樹脂、フェノール樹脂、シリコーン樹脂、ポリフェニレンサルファイド及びポリイミドの群から選ばれる１種以上である上記［１］乃至［４］のいずれかひとつに記載の断熱部材。
［６］  セラミックスが１〜６０重量％であり、残部が耐熱樹脂である上記［１］乃至［５］のいずれかひとつに記載の断熱部材。
［７］  上記［１］乃至［６］のいずれかひとつに記載の断熱部材を備えるエンジン部品。
［８］  上記［１］乃至［６］のいずれかひとつに記載の断熱部材がピストン母材の頂部表面の外周凸部に備えるエンジン部品。
［９］  上記［１］乃至［６］のいずれかひとつに記載の断熱部材がピストン母材の頂部表面のキャビティー上に備えるエンジン部品。
［１０］  前記断熱部材が、凹凸嵌合構造、ねじ構造及び嵌め込み構造の群からなる少なくともいずれかによってピストン母材に固定された状態である上記［７］乃至［９］のいずれかひとつに記載のエンジン部品。
【発明の効果】
【００１３】
本発明により、表面処理と比べ加工精度が高く、なおかつ、ピストンへの取り付けが容易な断熱部材を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】断熱部材の一例の断面を表す図
【図２】一般的なエンジンピストンの頂部（ピストンヘッド）の断面図
【図３】ピストン母材の頂部表面の外周凸部に断熱部材が配置された部品の断面図
【図４】ピストン母材の頂部表面のキャビティー上に断熱部材が配置された部品の断面図
【図５】ピストン母材の頂部表面の外周凸部上及びキャビティー上のそれぞれに断熱部材が配置された部品の断面図
【図６】ピストン母材の上部に、外周凸部及びキャビティーを有する断熱部材が配置された部品の断面図
【図７】外周凸部及びキャビティーを備えたピストン母材上に、キャビティーを備えた断熱部材が配置された部品の断面図
【図８】凹凸嵌合構造によりピストン母材と断熱部材を固定する手段の一例を示す図
【図９】ねじ構造によりピストン母材と断熱部材を固定する手段の一例を示す図
【図１０】嵌め込み構造によりピストン母材と断熱部材とを固定する手段の一例を示す図
【図１１】ピストン母材の頂部表面に、外周凸部を備えた断熱部材が配置した部品の断面図
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図１乃至１１を参照しながら、本実施態様について説明する。
＜断熱部材＞
図１は本実施態様の断熱部材の一例の断面を表す図である。断熱部材１０は、セラミックスと、耐熱樹脂とを含む成形体からなり、該成形体は、焼結体を含まないことが好ましい。図１において、断熱部材１０は、セラミックスと、耐熱樹脂とを含む成形体の基材１２（以下、単に「基材」ともいう。）が、細孔１１を含む多孔体からなる成形体として示しているが、断熱部材１０は細孔を実質的に有さない緻密体、すなわちセラミックスと耐熱樹脂を含む基材１２からなる成形体であってもよい。断熱部材１０が細孔１１を有する成形体、すなわち多孔体である場合、細孔１１は平均細孔直径が１μｍ以上２０μｍ以下の細孔であることが好ましい。
【００１６】
基材１２を構成するセラミックスは、ジルコニア、アルミナ、酸化マグネシウム及び窒化ケイ素の群から選ばれる少なくとも１種であることが好ましく、ジルコニア又はアルミナの少なくともいずれかであることがより好ましく、ジルコニアであることが更に好ましい。これらのセラミックスは未焼結セラミックス、すなわち焼結温度以上での熱処理を経ていないセラミックス、であることが好ましい。
【００１７】
これらのセラミックスの加熱による収縮は８００℃付近で生じる。一方、高温環境下に暴露されるエンジン内部でありながら、燃焼炎と短時間しか接触しない環境下に置かれたピストン部材は、高くとも４００℃程度の環境にあると考えられる。そのため、断熱部材１０の基材１２に含まれるセラミックスはほとんど収縮せず、エンジン部材として使用されても高い形状安定性を示す。
【００１８】
従来、ピストン部材の断熱層として使用されている耐熱樹脂は、セラミックスと比較して熱伝導率が低いため、断熱効果自体は大きいと考えられる。しかしながら、耐熱樹脂はエンジン作動時の燃焼炎への暴露により、樹脂の劣化や脱離による断熱性能の変化が大きい。これに対し、断熱部材１０は表面にセラミックスの露出しているため、燃焼炎への暴露による耐熱樹脂の劣化が抑制され、さらには断熱部材内部への劣化の進行も抑制できる。
【００１９】
該セラミックスは粒子として成形体に含まれていることが好ましく、粒子同士が焼結していないこと、いわゆる粒子同士がネッキングを有さないこと、がより好ましい。該粒子は、平均粒子径が０．１μｍ以上１００μｍ以下の粒子であることが好ましく、平均粒子径が０．３μｍ以上５０μｍ以下の粒子であることがより好ましく、１μｍ以上３０μｍ以下の粒子であることが更に好ましい。
【００２０】
基材１２を構成する耐熱樹脂は、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリフェニレンサルファイド及びポリイミドの群から選ばれる１種以上であり、エポキシ樹脂又はフェノール樹脂の少なくともいずれかであることが好ましく、フェノール樹脂であることがより好ましい。耐熱樹脂は、耐熱性が高いことに加え、セラミックスを結着させるバインダーとしても機能する。そのため、バインダーとなる樹脂を別途使用することを必須とせずに断熱部材１０を構成することができる。
【００２１】
成形体の組成は、セラミックスが１〜６０重量％であり、残部が耐熱樹脂であることが好ましく、セラミックスが１０〜６０重量％であり、残部が耐熱樹脂であることより好ましく、１０〜４０重量％であり、残部が耐熱樹脂であることがより好ましい。セラミックスの割合がこの範囲であれば、ピストン母材等の金属製のエンジン部材と比べ、断熱部材１０が十分に低い熱伝導率を示し、実用的な断熱部材として機能する。
【００２２】
本実施態様の断熱部材において、セラミックスの平均粒子径や種類、セラミックス及び断熱樹脂の含有量等は、これを設置するピストン母材の形状や材質、並びに、断熱部材の成形性等に合わせ適宜選択することができる。
【００２３】
断熱部材１０は、基材１２のセラミックスと異なる無機粒子をさらに含んでいてもよく、基材１２のセラミックスよりも熱伝導率の低い無機粒子を含んでいていることが好ましい。例えば、基材１２のセラミックスがジルコニアである場合、無機粒子としてシリカが挙げられる。
【００２４】
断熱部材１０の形状は任意であるが、円柱状又はリング状のいずれかが例示できる。物理的手段によって母材にこれを固定するため、断熱部材１０は凹凸嵌合構造、ねじ構造及び嵌め込み構造の群から選ばれる１以上の構造を有することが好ましい。断熱部材１０の厚みは０．１ｍｍ以上５ｍｍ以下であることが好ましい。
【００２５】
本実施態様において、断熱部材１０はセラミックスと耐熱樹脂に加え、添加剤を含んでいてもよい。添加剤として、離型剤又は難燃剤の少なくともいずれかが挙げられ、例えば、金型から成形品を容易に取り出すための離型剤として、ステアリン酸ナトリウムやワックスが挙げられる。
【００２６】
断熱部材１０は、任意の方法で目的とする形状の成形体とすればよいが、成形体の形状を加工する方法、原料を所望の形状に成形して成形体を得る方法などが挙げられる。形状制御及び製造工程の簡便性から、原料を射出成形もしくは圧縮成形することにより成形体を得る製造方法が好ましい。
【００２７】
以下、基材１２がジルコニアとフェノール樹脂を含む成形体である断熱部材を一例に挙げ、射出成形によるその製造方法について説明する。
【００２８】
射出成形による断熱部材の製造方法においては、ジルコニア及びフェノール樹脂を含む組成物を射出成形し成形体を得る成形工程、を有する製造方法、が挙げられる。
【００２９】
成形工程に供する組成物に含まれるジルコニアは粉末であることが好ましく、イットリア含有ジルコニア粉末であることがより好ましい。
【００３０】
ジルコニア粉末は平均粒子径が０．１μｍ以上１００μｍ以下であることが好ましく、より好ましくは１μｍ以上３０μｍ以下である。
【００３１】
該組成物の組成として、ジルコニア粉末が４０〜５５体積％であり、残部がフェノール樹脂であること、が挙げられる。
【００３２】
断熱部材が無機粒子を含む場合、該無機粒子としてシリカが例示できる。
＜ピストン母材＞
本実施態様の断熱部材を設置するピストン母材は、一般的に用いられるものであればよく、アルミニウム合金系もしくはスチール系材料のいずれから選ばれる。
【００３３】
ピストン母材は、断熱部材１０を固定する手段としての、凹凸嵌合構造、ねじ構造及び嵌め込み構造の群から選ばれる１以上の構造を有することが好ましい。
＜本実施態様の断熱部材を有するピストン＞
図２は一般的なエンジンピストンの頂部（ピストンヘッド）の断面図を示す図であり、本実施態様の断熱部材１０が配置される部品の一例を示す図である。エンジンピストン１００は、その頂部表面上に外周凸部１０２及び内側凹部（キャビティー）１０１を有するピストン母材１０１からなる。ピストン母材１０１はアルミ合金等の金属材料からなることが挙げられる。本実施態様の断熱部材は、ピストン母材１０１の頂部表面の少なくとも一部を覆うように配置されていればよく、ピストン母材１００の外周凸部１０２上又はキャビティー１０１上の少なくともいずれかに配置することが挙げられる。
【００３４】
図３乃至図５に本実施態様の断熱部材を備えた部品の一例を示す図を示す。これらは本実施態様の断熱部材を備えるエンジンピストンの頂部の断面を示す図であり、いずれも断熱部材１０及びピストン母材１０１を備えたエンジンピストンの頂部の断面を示す模式図である。
【００３５】
図３に示すピストン１３０は、ピストン母材１０１の頂部表面の外周凸部１０２上に断熱部材１０が配置された部品である。断熱部材１０は外周凸部１０２の形状に対応した形状の部材であればよく、断熱部材１０及び１０’は一体であり、リング状の構造体であることが挙げられる。
【００３６】
図４に示すピストン１４０は、ピストン母材１０１の頂部表面のキャビティー１０３上に断熱部材１０が配置された部品である。断熱部材１０はキャビティー１０３の形状に対応した形状であればよく、例えば、円柱状の構造体であることが挙げられる。
【００３７】
図５に示すピストン１５０は、ピストン母材１０１の頂部表面の外周凸部１０２上及びキャビティー１０３上のそれぞれに断熱部材１０が配置された部品である。断熱部材１０及び１０’は一体であり、リング状の構造体である。図５における断熱部材１０’’の高さはキャビティー１０３の深さより低いが、キャビティー１０３の深さと断熱部材の高さの関係は任意とすることができる。
【００３８】
図６及び図７は、本実施態様の断熱部材を備える部品の他の一例を示す図であり、いずれも、ピストン母材１０１の上部表面全体に断熱部材が配置された部材を示している。
【００３９】
図６に示すピストン１６０は、ピストン母材１０１の上部に、外周凸部１３及びキャビティー１４を有する断熱部材１０が配置された部品である。ピストン１６０において、ピストン母材１０１は、それ自身に外周凸部及びキャビティーを備えていない。
【００４０】
図７に示すピストン１７０は、外周凸部１０２及びキャビティー１０３を備えたピストン母材１０１上に、キャビティー１４を備えた断熱部材１０が配置された部品である。
【００４１】
図２乃至図７において、外周凸部１０２及びキャビティー１０３を含むピストン母材１０１の頂部表面は平坦で示しているが、ピストン母材１０１の頂部表面は任意の表面形状であればよい。断熱部材はピストン母材の頂部表面の形状に対応した形状を有とすればよい。
【００４２】
本実施態様の断熱部材は、断熱部材とピストン母材とが接着層を介し、固定されていてもよい。接着層は、断熱部材に含まれる耐熱樹脂及びピストン母材である金属の両者に接着する成分からなる層であればよい。
【００４３】
一方、エンジン部材の設計の観点から、断熱部材は接着以外の手段によりピストン母材に固定することもできる。また、接着と機械的な手段の双方を合わせて実施することも可能である。図８乃至図１１は、ピストン母材と断熱部材とを固定する好ましい手段の一例を示す模式図である。図８は、嵌合構造であって凹凸嵌合構造によりピストン母材１０１と断熱部材１０を固定する手段の一例を示している。図８（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、ピストン母材１０１の凹部及び断熱部材１０の凸部が嵌合した構造、並びに、ピストン母材１０１の凸部及び断熱部材１０の凹部が嵌合した構造により、断熱部材とピストン母材とが固定されている。凹部の径に対する凸部の径が大きいこと、又は、凸部の径に対する凹部の径が小さいこと、により両者がより強固に固定されやすくなる。ピストン母材１０１と断熱部材１０との固定は、接着剤２０を固定面全面もしくは一部に使用してもよいが、その使用量は凹凸嵌合による機械的な固定を補う程度の最少量であることが好ましい。
【００４４】
図９は、ねじ構造によりピストン母材１０１と断熱部材１０を固定する手段の一例を示している。図９（ａ）及び（ｂ）では、ピストン母材１０１及び断熱部材１０が、それぞれ、雄ねじ構造又は雌ねじ構造のいずれかを備えており、これらをねじ込むことでピストン母材１０１と断熱部材１０とが固定される。ねじ構造を備えることにより、断熱部材１０とピストン母材１０１とを機械的に固定することができ、接着剤が不要になる。断熱部材１０のねじ構造は、断熱部材の製造時に形成することが好ましく、ピストン母体のねじ構造は機械加工によって形成することが好ましい。
【００４５】
図１０は、嵌合構造であって嵌め込み構造によりピストン母材１０１と断熱部材１０とを固定する手段の一例を示している。図１０においてピストン母体１０１及び断熱部材１０は、それぞれ、Ｌ字状凸構造１１１及び１５を備えている。１１１及び１５のＬ字状凸部を互いに嵌め込む込むことでピストン母材１０１と断熱部材１０が固定される。
【００４６】
図１１に記載のピストン１１１は、ピストン母材１０１の頂部表面に、外周凸部１３を備えた断熱部材１０が配置した部品の断面を示す図である。図１１中、１１１１で示した部分は図８で示した凹凸嵌合構造又は図１０で示した嵌め込み構造、及び、１１１２で示した部分は図９（ａ）で示したねじ込み構造を備えた構造、である。嵌め込み構造１１１１は、ピストン母材１０１上への断熱部材１０の配置位置を決める手段として活用することができる。図１０においても部材の接触面全体もしくは一部に接着剤２０を配置し、部品間の固定だけでなく、接着剤自体により断熱を高めてもよい。
【実施例】
【００４７】
以下、実施例を用いて本発明を説明する。しかしながら、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
【００４８】
実施例１
フェノール樹脂と、平均粒子径５μｍのアルミナ粉末を含む組成物を射出成形し、直径３０×厚さ１ｍｍの円板状の成形体を得、これを断熱部材１とした。断熱部材１の組成は、未焼結アルミナが３０重量％であり、残部がフェノール樹脂であった。
【００４９】
断熱部材１は、熱伝導率が４．３Ｗ／（Ｋ・ｍ）であり、ピストン母材等の金属製のエンジン部材と比べて十分に低い熱伝導率を示すことが分かる。
【００５０】
実施例２
組成をアルミナが１０重量％であり、残部がフェノール樹脂としたこと以外は実施例１と同様な方法で断熱部材２を得た。
【００５１】
断熱部材２は、熱伝導率は１．６Ｗ／（Ｋ・ｍ）であり、ピストン母材等の金属製のエンジン部材と比べて十分に低い熱伝導率を示すことが分かる。
【００５２】
実施例３
アルミナ粉末の代わりに平均粒子径５μｍのジルコニア粉末を使用したと以外は実施例１と同様な方法で、未焼結ジルコニアが３０重量％であり、残部がフェノール樹脂からなる断熱部材３を得た。
【００５３】
断熱部材３は、熱伝導率が０．９５Ｗ／（Ｋ・ｍ）であり、ピストン母材等の金属製のエンジン部材と比べて十分に低い熱伝導率を示すことが分かる。これに加え、アルミナ粉末を同量含有する断熱部材１よりも熱伝導率が低く、より高い断熱性を有することが分かる。
【００５４】
比較例１
アルミナ粉末を使用せず、フェノール樹脂のみからなる成形体としたこと以外は実施例１と同様な方法で比較断熱部材を得た。
【００５５】
比較断熱部材は、熱伝導率が０．２１Ｗ／（Ｋ・ｍ）であり、ピストン母材等の金属製のエンジン部材と比べて十分に低い熱伝導率を示すことが分かる。
（耐酸化性評価）
断熱部材１，３及び比較断熱部材を、それぞれ、２５０℃の環境下に置いた後、３５０℃に昇温し、さらに１時間保持し、保持前後の熱伝導率の変化率を求めた。結果を下表に示す。
【００５６】
【表１】
2020020308.tif 000003
【００５７】
上表より、断熱部材１及び２はいずれも高温暴露前後の熱伝導率にほとんど変化がないのに対し、比較断熱部材は高温暴露により熱伝導率が２倍以上に上昇していることが分かる。これより、高温暴露に関わらず断熱部材１及び２は断熱性能が維持されるのに対し、比較断熱部材は高温下への暴露で熱伝導率が変化し、断熱性が著しく低下することが分かる。これに加え、比較断熱部材は熱処理による変色が確認され、断熱性能のみならず物性自体が変化することが確認できた。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
本発明の断熱部材は、自動車部品の断熱部材、特にエンジン部品の断熱部材として使用することができる。
【符号の説明】
【００５９】
１０，１０’，１０’’
：断熱部材
１１    ：断熱部材内の細孔
１２    ：断熱部材の基材
１３    ：断熱部材上部の外周凸部
１４    ：断熱部材上部の内側凹部（キャビティー）
１５    ：断熱部材に備えられたＬ字状凸部
２０    ：接着剤
１００  ：エンジンピストンの断面図
１０１  ：エンジンピストンを形成するピストン母材
１０２  ：ピストン母材上部の外周凸部
１０３  ：ピストン母材上部の内側凹部（キャビティー）
１１１  ：ピストン母材に備えられたＬ字状凸部
１３０、１４０、１５０、１６０、１７０、１１１０
：ピストン母材及び断熱部材からなるエンジンピストン
１１１１：嵌合構造による固定手段
１１１２：ねじ構造による固定手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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