(57)【要約】  本発明は、内燃機関用のピストン（２）に関する。本発明の本質は、ピストン（２）のクランクシャフト側の領域に、溶射法により吹き付けられた熱伝導性コーティング（５）を設けることである。このように構成することによって、生産ライン内において、熱伝導性コーティング（５）を経済的に設けることができる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関用のピストン（２）であって、
前記ピストン（２）のクランクシャフト側の領域には、少なくとも部分的に、溶射法により吹き付けられた熱伝導性コーティング（５）が設けられていることを特徴とするピストン。
【請求項２】
請求項１記載のピストンにおいて、
前記熱伝導性コーティング（５）は、溶湯式溶射法、アーク溶射法（溶線式アーク溶射法）、大気中、保護ガス下、又は減圧下若しくは真空中でのプラズマ溶射法、フレーム溶射法（粉末式フレーム溶射法、溶線式フレーム溶射法、プラスチック溶射法又は高速フレーム溶射法）、爆発溶射法（フレームショック溶射法）、コールドガススプレー法及びレーザ溶射法のうちのいずれか１つの溶射法により設けられることを特徴とするピストン。
【請求項３】
請求項１又は２記載のピストンにおいて、
前記ピストン（２）は、スチール製ピストンであることを特徴とするピストン。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１つに記載のピストンにおいて、
前記ピストン（２）は、複合部品又は単一部品から成ることを特徴とするピストン。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１つに記載のピストンにおいて、
前記熱伝導性コーティング（５）は、アルミニウム、銀及び銅のうちの少なくとも１つを含むことを特徴とするピストン。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１つに記載のピストンにおいて、
前記ピストンの前記クランクシャフト側の領域は、冷却用通路（３）を有していることを特徴とするピストン。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか１つに記載のピストンにおいて、
前記熱伝導性コーティング（５）は、コールドガススプレー法により吹き付けられる粉末から生成され、該粉末は、１００μｍ以下の粒径を有することを特徴とするピストン。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれか１つに記載のピストンにおいて、
前記熱伝導性コーティング（５）は、１００μｍ乃至７００μｍの厚みを有することを特徴とするピストン。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれか１つに記載のピストンにおいて、
前記熱伝導性コーティング（５）の接着基材として、接着層が設けられていることを特徴とするピストン。
【請求項１０】
請求項１乃至９のいずれか１つに記載のピストンにおいて、
前記熱伝導性コーティング（５）を覆う保護層（１９）が設けられていることを特徴とするピストン。
【請求項１１】
請求項１０記載のピストンにおいて、
前記保護層（１９）は、触媒として作用しないように構成されているか、又は、硫肝により処理されていることを特徴とするピストン。
【請求項１２】
請求項１０又は１１記載のピストンにおいて、
前記保護層（１９）は、５μｍ乃至１０μｍの厚みを有することを特徴とするピストン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関用のピストンに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１によると、内燃機関用の通常のピストンとして、鉄を含む材料から成る上部材と、該上部材に公知の手段により結合される下部材とを有するものが知られている。この上部材の下方に位置する、下部材の表面部上には、リング部材が支持され、このリング部材は、上部材において、結合平面に開口する冷却用通路の径方向の内壁部と、同じく上部材において、径方向の冷媒用孔を通じて前記冷却用通路と連通し且つ結合平面に開口する中央冷却室とを取り囲む。上部材において最も高温になる領域での冷却性能を向上させ且つリング領域における温度分布を均一にするために、冷却用通路の上側の壁部領域が、熱伝導性が高い材料でコーティングされる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】欧州特許出願公開第００３５２９０号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
近年のピストンは、通常、エンジン性能を高めるために冷却されるように構成されており、そのピストンの上部材と下部材との間には、略リング状に形成された冷却用通路が設けられる。燃焼室内に生じた熱エネルギーを排出できるようにすべく、ピストンの上部材に伝達した熱は、前記冷却用通路を流れる冷却用流体（例えばオイル）を介して排出される。しかしながら、前記上部材の領域では、熱分布が非常に変動し易く、それによって、ピストン内に熱応力が生じるばかりでなく、冷却用通路を流れる冷却用流体を介した排熱を適切に行うことが、少なくとも困難になってしまう。
【０００５】
したがって、本発明は、通常のタイプのピストンに関するものであり、特に、改良された排熱性能を有することによって特徴付けられる、改良された、又は代替となる態様を提供することを課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記課題は、本発明の独立請求項１の主題によって解決される。有利な態様は、従属請求項の主題である。
【０００７】
本発明は、内燃機関用のピストンのクランクシャフト側の領域に、溶射法により吹き付けられた熱伝導性コーティングを設ける、という基本概念に基づくものである。溶射法、特に、例えばコールドガススプレー法（コールドスプレー法とも呼ばれる）を用いることによって、コーティング工程を、比較的高速で実施して、生産ライン内において、経済的に有利に実施することができる。また、本発明に係る熱伝導性コーティングを用いることで、ピストン内、特に、燃焼室に面するピストン上部材内の温度分布を均一化させることができるとともに、いわゆる局所的な「ホットスポット（過熱）」の発生を防止することもできる。こうした熱伝導性コーティングが、例えば、ピストン内に設けられた冷却用通路の領域に配設されることで、冷却用通路内の冷却用媒体に対して所望の排熱性能が得られ、これによって、ピストン自体の冷却性能を向上させることができる。また、ピストンの冷却性能を向上させることで、特に、潤滑オイルのコーキングを防止する、又は、少なくとも、そうしたコーキングが生じるリスクを低減することができる。コールドガススプレー法を用いることで、特に、略無孔性のコーティングを設けることもできる。
【０００８】
本発明に係る解決策のさらに有利な発展形態では、熱伝導性コーティングは、コールドガススプレー法によって、ピストンのクランクシャフト側の領域に施される。コーティング対象としての表面部に対し、比較的高い運動エネルギーを有する粒子が衝突するために、これら粒子がその基材（キャリア材）に「絡み合う」ようになり、熱伝導性コーティングは、コーティング対象としての表面部に対して著しく強固に付着する。その上、この熱伝導性コーティングは、酸化物を含まぬように且つ非常にコンパクトになるように構成することができる。コーティング工程を実行している最中、ピストン自体は加熱されないため、膨張してしまうこともない。これらは全て、本発明に係るピストンの熱的及び機械的安定性に対して有利な効果を与えるものであり、熱伝導性コーティングの材料によって、この熱的及び機械的安定性に対し、さらに有利な効果を与えることができる。特に、銅及び銀が、高い熱伝導性を有し、これにより熱的安定性に対し特に有利な効果を有する。一般的に、コールドガススプレー法では、コーティング材料が、コーティング対象としての表面部に対し、粉末状の形態で高速度に加速されて吹き付けられる。この場合、数百度に加熱されたプロセスガスが、ラバールノズル中で膨張して超音速まで加速され、それに続いて、粉末粒子がこのガスジェット中に噴射される。この場合、これら噴射された粒子は、他の溶射法に比べて、そのような高い速度まで加速されるため、基材、つまりコーティング対象としての表面部上に衝突し、前もって表面部上に融着させずとも、密で強固な接着層を構成する。但し、この場合、噴射された粒子がコーティング対象としての表面部上に衝突する瞬間の運動エネルギーは、噴射された粒子が完全に融着するには不十分である。コールドガススプレー法を用いることで、本発明に係る熱伝導性コーティングを、経済的に且つ強く付着するように施すことができる。また、コールドガススプレー法を用いることによって、このコーティング方法が、コーティング対象としてのワークが加熱されず、純粋に力学的又は機械的な方法であるという点で、大きな利点がもたらされる。酸化した層は、純粋な材料からなる熱伝導性コーティングよりも熱伝導性が著しく劣ることになるが、他の方法を用いたときに生じてしまうこのような酸化の問題を招くことなく、コーティングを施すことができる、という点で特に有利になる。
【０００９】
他の溶射法としては、例えば、プラズマ溶射法が考えられる。この場合、アノードと、３つを上限とした複数のカソードとが、プラズマトーチ上で狭い隙間をあけて互いに離隔するよう配置される。これらアノードとカソードとの間に直流電流が流れることでアークが生成され、プラズマトーチを流れるガスが、このアークを通過するように導かれ、このアークにてイオン化される。電離又はそれに続くイオン化は、陽イオンと電子とから成る高温の電気伝導性ガスを生成し、そこにコーティング材料が噴射されると、高温のプラズマによって直ちに融着される。その際、プラズマ流は、コーティング材料を運搬し且つコーティング対象としての表面部に吹き付けられる。勿論、前述した全ての溶射法において、実際に熱伝導性コーティングを施す前に、例えば、アルミニウム及び／又はニッケルを含む接着基材を設けることができる。この場合、そうした接着基材は、１００μｍを上限とした厚みでもって形成することができる。
【００１０】
溶射法によって設けられる、本発明に係る熱伝導性コーティングは、複合部品から成るピストンのみに使用され得るわけではなく、単一部品から成るピストン、及び、オットーサイクル用ピストンにも使用され得る。熱伝導性コーティングを吹き付けるにあたって、溶射法、特に、コールドガススプレー法を使用することで得られる大きな利点としては、出力密度が高いため、高い経済性と、熱伝導性コーティングによって排熱性が最適化されることとであって、特に、乗用車に適用する際に有利になる。コールドガススプレー法を用いることで、エネルギーを別途に供給することなく、熱伝導性コーティングを純粋に機械的に設けることができるので、熱伝導性を低下させる酸化の生成リスクを排除することができるようになる。
【００１１】
本発明に係るさらに重要な特徴及び利点は、従属項の記載、図面、及び図面を用いた図面に係る説明より得られることになる。
【００１２】
前述の構成、及び以下で説明される構成は、説明される特定の組み合わせによってのみ使用できるのではなく、本発明の適用範囲を逸脱しない限りは、他の組み合わせ、又は単体で使用できることが理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係る熱伝導性コーティングを吹き付けているときの、本発明に係るピストンを示す断面図である。
【図２】本発明に係る、溶射法によりコーティングされたピストンを、下から見た図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の好ましい例示としての態様は、図面に示されており、以下の記載によってさらに詳細に説明される。各図において同一の符号は、同一の、類似した、又は機能的に同一の要素を示している。
【００１５】
図１には、ピストン２のピストン上部材１が示され、このピストン上部材１には、冷却用通路３が設けられている。このピストン２のクランクシャフト側の領域（図示した実施形態では、燃焼室４に対面する冷却用通路３の領域）には、溶射法により吹き付けられた熱伝導性コーティング５が設けられている。ここでは特に、溶射法として、溶湯式溶射法、アーク溶射法、プラズマ溶射法、フレーム溶射法、爆発溶射法、レーザ溶射法又はコールドガススプレー法を考慮に入れることができる。特に最後に言及したコールドガススプレー法を用いた場合、コーティング工程を、高速度で実施して、生産ライン内において、経済的に有利に実施することができる。
【００１６】
ピストン２を、例えば、複合部品又は単一部品から成るピストンとして構成することが可能であり、また、鉄を含む材料（特にスチール）で構成することが可能である。熱的な方法、特にコールドガススプレー法によって吹き付けられた熱伝導性コーティング５は、例えば、アルミニウム、銀及び銅のうちの少なくとも１つを含み得る。熱伝導性コーティング５が純粋な銅で構成されていれば、熱伝導性という観点で特に有利であることが実証されいる。
【００１７】
熱伝導性コーティング５は、例えば１００μｍ乃至５００μｍの厚みを有しており、１００μｍを上限とした粒径（好ましくは１５μｍ乃至２５μｍ）の粒径を有する粉末から生成され得る。１５μｍ乃至２５μｍの粒径を選ぶことで、特に、コンパクトで且つ密で、その上均質な熱伝導性コーティング５を生成することができる。熱伝導性コーティング５の粗さＲａは、例えば、０．５μｍ乃至４．０μｍの範囲内で変更し得る。
【００１８】
図１には、熱伝導性コーティング５を生成するための、又は吹き付けるための装置６がさらに示されている。この熱伝導性コーティング５は、完成したピストン、及び、前処理のみが施されたピストン２の双方に対して施すことができる。熱伝導性コーティング５の吹き付けに先だって、コーティング対象としての表面部を別途に洗浄する工程は、厳密には必要でない。
【００１９】
コールドガススプレー法を実行するための前記装置６は、周知のように、ガス（例えば窒素）を貯蔵する貯蔵容器７を備えている。このガスは、プロセスガス、及び、粉末材料を運搬するためのキャリアガスとして利用される。例示した本実施形態にて使用される粉末材料は、粉末材料コンベア８に収容されている。貯蔵容器７から粉末材料コンベア８までパイプライン９が延びている。このパイプライン９を通じて粉末材料コンベア８に供給されたガスが、粉末材料運搬のためのキャリアガスとして利用され、また、別のパイプライン１０が、貯蔵容器７からヒータ１１（特に、ガスヒータ）まで延びている。このヒータ１１に供給されたガスは、プロセスガスとして利用され、必要に応じて、例えば、２００℃乃至６００℃に加熱され得る。粉末材料を含むキャリアガス及びプロセスガスの双方は、それぞれパイプライン１２，１３を通じて、超音速ノズル又はラバールノズル１４内に供給される。該ノズル１４により、粉末とガスとの混合物が、矢印Ｂの方向に、つまり、コーティング対象としての表面部（例示した本実施形態では、冷却用通路３の内壁部）に向けて、５００ｍ／ｓ以上１５００ｍ／ｓ以下の速度に加速される。発生したジェット１５は、５ｍｍ乃至５０ｍｍに及ぶ一般的な作動距離を介して、コーティング対象としての表面部に衝突して、所定の厚み、好ましくは３００μｍ乃至５００μｍの厚みを有する熱伝導性コーティング５を形成する。ピストン２は、通常、中心軸１６回りに回転する。このとき、部分的なコーティングを望むならば、必要に応じて、コーティング対象としての表面部上にマスキング部材を配置することも、勿論可能である。
【００２０】
本発明に係る溶射法、特にコールドガススプレー法を用いることで、ピストン上部材１の領域において、いわゆる局所的なホットスポットの発生を防止することができ、これにより、均一な温度分布を達成することができる。それと同時に、燃焼室４内に生じた熱を、冷却領域、例えば冷却用通路３又は吹き付け冷却部に伝える性能が向上し、これにより、排熱性能を向上させることができる。本発明に係るピストン２としては、複合部品又は単一部品から成るピストンを使用することが可能であり、また、スチール製ピストン（オットーサイクル用ピストン及びディーゼルエンジン用ピストンの両者）を使用することも可能である。コールドガススプレー法を用いることで、コーティング工程を、高速度で実施することができ、これによって、コーティング工程を、生産ライン内において、経済的に有利に実施することができる。また、比較的低温下で実行されるコールドガススプレー法においては、その後に続く熱的処理を省略できる可能性がある。
【００２１】
図２には、ピストン２に設けられる、本発明に係る熱伝導性コーティング５のさらなる適用可能性が示されている。基部中央から吹き付け冷却部１８／冷却用通路３に熱を伝達すべく、ピストンの下側における（コネクティングロッドが介在する）ハブ１７の間に、「直線状」の熱伝導性コーティング５が設けられている。
【００２２】
一般に、熱伝導性コーティング５を覆う保護層１９を設けることができる。保護層１９の構成は、表１乃至表３に例示されている。
【００２３】
【表１】
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【００２４】
【表２】
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【００２５】
【表３】
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【００２６】
保護層１９は、ピストン２を冷却するオイルと銅コーティングとが直に接触する事態を防止して、オイルが変質してしまうリスクを低減する。この場合、保護層１９は、触媒として作用しないように構成されていて、特に、ニッケル、クロム及びスズのうちの少なくとも１つの物質を含んでいる。これに代えて、保護層１９を、硫肝により処理することも可能であり、これによって、黒みを帯びた、触媒として作用しない保護層が形成される。保護層１９は、薄く形成することもできるが、その一方で、密に形成されなければならないため、少なくとも５μｍ乃至１０μｍの厚みを有するように構成することが考えられる。
【００２７】
前記表中に記載された金属の保護層を、種々の溶射法（ＡＰＳ溶射法、溶線式アーク溶射法、ＨＶＯＦ溶射法、コールドガススプレー法等）によって形成することもできる。この利点としては、形成速度が速いことである。不利な点としては、確実に常時覆うべく、オーパ−スプレー率が高くなってしまうことである。これらの方法によって、水溶液に対して非沈殿性を有するか又は水素脆性のみを有する他の金属（亜鉛）の保護層を形成することも可能であり、アルミニウム、亜鉛等といった、コストについて興味深い物質を適用することも可能である。
【図１】
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【図２】
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【国際調査報告】
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