(57)【要約】【課題】  従来技術のような重量や吸水による問題を解消して、ヘッド部の高熱伝導化を実現した内燃機関用ピストンを提供する。【解決手段】  Ａｌ合金ピストン（１１０）のヘッドの頂面（１１０Ｓ）から裏面（１１０Ｒ）まで貫通するＳｉＣ伝熱体（１２０）の裏面（１２０Ｒ）が冷却油ジェット（１３４）で冷却され、かつ、該ＳｉＣ伝熱体（１２０）はＡｇ層（１２６）で被覆されていて該ＳｉＣ伝熱体（１２０）と上記Ａｌ合金ヘッド（１１０）とが上記Ａｇ層（１２６）を介して接合されている内燃機関用ピストン。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ａｌ合金ピストンのヘッドの頂面から裏面まで貫通するＳｉＣ伝熱体の裏面が冷却油ジェットで冷却され、かつ、該ＳｉＣ伝熱体はＡｇ層で被覆されていて該ＳｉＣ伝熱体と上記Ａｌ合金ヘッドとが上記Ａｇ層を介して接合されていることを特徴とする内燃機関用ピストン。
【請求項２】
請求項１において、上記Ａｌ合金ヘッドと上記Ａｇ層との間に厚さ１μｍ以下のＡｕ層が介在していることを特徴とする内燃機関用ピストン。
【請求項３】
請求項２において、上記Ａｕ層と上記Ａｇ層との間にＣｕ層またはＮｉ層が介在していることを特徴とする内燃機関用ピストン。
【請求項４】
請求項１から３までのいずれか１項において、上記ＳｉＣ伝熱体と上記Ａｇ層との間にＮｉ層とＣｕ層とがこの順に介在していることを特徴とする内燃機関用ピストン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関用ピストンに関し、ピストンヘッド頂面の冷却能を高めて、ノッキング防止により燃費向上を可能とした内燃機関用ピストンに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、ピストンヘッド頂面の冷却能を高めるために種々の提案がなされてきた。例えば特許文献１（特開平８−２３２７５８号公報）には、ピストンヘッド頂部に鋳込んだＣｕ系の高熱伝導材の一端をピストン裏面に露出させてオイルジェットにより冷却する内燃機関用ピストンが開示されている。
【０００３】
しかし、一般に銅を含めて金属は、温度上昇に伴い熱伝導率が低下してしまい、ノッキングが起き易くなる高温域では効果的な冷却作用が得られない。また、Ｃｕ合金はピストン本体の一般的な材料であるＡｌ合金に比べて遥かに重いので（比重はＣｕが８．９４、Ａｌが２．７１）、爆発後に発生するスラップによるフリクションの増大や合成基油の劣化を促進させてしまうという問題があった。
【０００４】
また同文献には、Ｃｕ系材料に代えてＡｌＮ等のセラミックスを用いることも開示されている。しかし、セラミックスは総じて金属に比べて吸水率が高く、燃焼室内に存在する水分を高圧下で吸水して熱伝導率が低下してしまうという問題があった。
【０００５】
【特許文献１】特開平８−２３２７５８号公報（特許請求の範囲）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上記従来技術のような重量や吸水による問題を解消して、ヘッド部の高熱伝導化を実現した内燃機関用ピストンを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の目的を達成するために、本発明の内燃機関用ピストンは、Ａｌ合金ピストンのヘッドの頂面から裏面まで貫通するＳｉＣ伝熱体の裏面が冷却油ジェットで冷却され、かつ、該ＳｉＣ伝熱体はＡｇ層で被覆されていて該ＳｉＣ伝熱体と上記Ａｌ合金ヘッドとが上記Ａｇ層を介して接合されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の内燃機関用ピストンは、Ａｌ合金ピストンのヘッドの頂面から裏面まで貫通するＳｉＣ伝熱体の裏面を冷却油ジェットで冷却することにより、ヘッド頂面からヘッド裏面へ効率良く抜熱してヘッドを冷却する。
【０００９】
ＳｉＣは燃焼室の正常運転温度である２５０〜３５０℃程度での熱伝導率がＣｕと同等であり、かつ温度上昇に伴い金属一般とは逆に熱伝導率が高まるという特異な性質があるため４００℃、４５０℃といった高温ではＣｕよりもむしろ高い伝熱性能を発揮する。
【００１０】
ただし、ＳｉＣは金属に比べると脆く、特に衝撃強度が低いため、燃焼圧下でピストン本体からの衝撃力により亀裂発生あるいは破壊する危険がある。そこで本発明では、Ａｌ合金製のピストンヘッドとＳｉＣ伝熱体との間に、軟らかく且つ熱伝導率も高いＡｇ層を介在させて接合したことにより、ヘッド本体からの衝撃力をＡｇ層で緩和しつつ、ヘッド本体からの熱伝導を確保した。
【００１１】
同時に、Ａｇ層でＳｉＣを被覆したことにより、本来は吸水性を持つセラミックスであるＳｉＣの吸水現象の発現を防止し、吸水により熱伝導が損なわれないようにした。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明の望ましい実施形態においては、Ａｌ合金ヘッドとＡｇ層との間に厚さ１μｍ以下のＡｕ層が介在している。すなわちＳｉＣ／Ａｇ／Ａｕ／Ａｌ合金という隣接関係の接合構造を有する。これは特にＡｇ層とＡｌ合金ヘッドとの接合を容易にするためであり、Ａｕ／Ａｌ合金の接合を超音波等による摩擦接合で達成できる。これは例えば１６０℃程度の低温で実現可能であり、熱処理による固相拡散接合のように高温に晒す必要がないため、材料特性上もプロセス効率上も有利である。このＡｕ層の厚さは、熱伝導を確保するためにできるだけ薄い方が良く、１μｍ以下とすることが望ましい。
【００１３】
本発明の更に望ましい実施形態においては、上記接合構造のＡｕ層とＡｇ層との間にＣｕ層またはＮｉ層が介在している。すなわちＳｉＣ／Ａｇ／Ｃｕ／Ａｕ／Ａｌ合金またはＳｉＣ／Ａｇ／Ｎｉ／Ａｕ／Ａｌ合金という隣接関係の接合構造を有する。これは特にＡｕとＡｇの間にこれら両者と合金化し易いＣｕまたはＮｉを介在させ、合金化による融点低下を利用して低温での接合を可能とするためである。
【００１４】
また、本発明の別の望ましい実施形態においては、ＳｉＣ伝熱体とＡｇ層との間にＮｉ層とＣｕ層とがこの順に介在している。すなわち、ＳｉＣ／Ａｇという直接の隣接関係に代えてＳｉＣ／Ｎｉ／Ｃｕ／Ａｇという間接的な隣接関係とする。これは特にセラミックスであるＳｉＣと金属であるＡｇとの熱膨張差による熱応力あるいは熱歪を低減し、本発明の基本的な接合構造であるＳｉＣ／Ａｇ／Ａｌ合金をより安定化するためである。これによる接合構造はＳｉＣ／Ｎｉ／Ｃｕ／Ａｇ／Ａｌ合金となり、各層の熱膨張係数は下記のとおりである。
【００１５】
ＳｉＣ：  ４．５×１０−６／℃
Ｎｉ  ：１３．３×１０−６／℃
Ｃｕ  ：１６．５×１０−６／℃
Ａｇ  ：１９．０×１０−６／℃
Ａｌ  ：２０．４×１０−６／℃
これにより熱膨張係数について傾斜構造の接合が実現され、特にＡｇとＳｉＣとの熱膨張差による熱応力あるいは熱歪の発生が抑制される。
【００１６】
上記各介在層の厚さは熱伝導確保の観点からできるだけ薄くすることが望ましく、１μｍ以下とすることが望ましい。例えば２７℃での熱伝導率は、Ａｇ：４２７ｗ／ｍＫ、Ｃｕ：３９８ｗ／ｍＫ、Ｎｉ：９０．５ｗ／ｍＫ、Ａｕ：３１０ｗ／ｍＫであり、特にピストン本体のＡｌ：１４０ｗ／ｍＫと比べて熱伝導率の低いＮｉ層は必ず厚さ１μｍ以下とする必要がある。
【実施例】
【００１７】
以下に、添付図面を参照して本発明の実施例を説明する。
【００１８】
図１に、本発明の内燃機関用ピストンの断面図を示す。
【００１９】
本発明のピストン１００は、Ａｌ合金製ピストン本体１１０のヘッド部１１０Ａの内部にヘッド頂面１１０Ｓからヘッド裏面１１０Ｒまで貫通するＳｉＣ伝熱体１２０が埋め込まれている。
【００２０】
ＳｉＣ伝熱体１２０の表面には、Ｎｉ層１２２、Ｃｕ層１２４、Ａｇ層１２６がこの順に被覆されている。Ｎｉ層１２２およびＣｕ層１２４はＳｉＣ伝熱体１２０の全表面に被覆されている。本実施例ではＡｇ層１２６はヘッド頂面１１０Ｓ側寄りの部分とヘッド裏面１１０Ｒ側寄りの部分のＳｉＣ伝熱体１２０の表面に被覆されているが、もちろんＳｉＣ伝熱体１２０の全表面に被覆されていても良い。
【００２１】
ＳｉＣ伝熱体１２０の裏面１２０Ｒは、コンロッド１３０内を貫通する油通路１３２から供給される冷却油ジェット１３４により冷却される。ピストンヘッド１１０Ａの頂面１１０Ｓ側に露出したＳｉＣ伝熱体１２０の頂面１２０Ｓに伝達された熱が、ＳｉＣ伝熱体１２０内を通って裏面１２０Ｒに達し、冷却油ジェット１３４により持ち去られることにより、ヘッド１１０Ａの全体が効率良く冷却される。
【００２２】
図１に示した本発明のピストンは以下のようにして作製できる。
【００２３】
図２に示すように、ピストン本体１１０のヘッド１１０Ａに、ＳｉＣ伝熱体１２０が丁度収まる孔１１０Ｖを設ける。
【００２４】
図３に示すように、ＳｉＣ伝熱体１２０の頂面１２０Ｓを構成するＳｉＣ部材１２０Ａに、ＳｉＣ伝熱体１２０のヘッド貫通部を構成するＳｉＣ部材１２０ＢをＮｉ層１２８により接合する。この接合は例えばＳｉＣ部材１２０Ｂの上端面に物理蒸着（ＰＶＤ）や化学蒸着（ＣＶＤ）等によりＮｉ層１２８を形成し、次いでＳｉＣ部材１２０Ａの下面とＳｉＣ部材１２０Ｂの上端面のＮｉ層１２８とを超音波振動により摩擦接合することによって行なう。
【００２５】
図４に示すように、１２０Ａ、１２０Ｂから成るアセンブリ１２０’の表面に、Ｎｉ層１２２、Ｃｕ層１２４、Ａｇ層１２６を順次被覆する。この被覆は例えば物理蒸着によって行なう。
【００２６】
図５に示すように、ＳｉＣ伝熱体１２０の裏面１２０Ｒを構成するＳｉＣ部材１２０Ｃの表面に、上記と同様の方法により、Ｎｉ層１２２、Ｃｕ層１２４、Ａｇ層１２６を順次被覆する。
【００２７】
次に、図４のアセンブリ１２０’（１２０Ａ＋１２０Ｂ）を図２のピストンヘッド１１０Ａの孔１１０Ｖ内に上方から挿入し、ピストンヘッド１１０Ａの裏面側からＳｉＣ部材１２０Ｃを挿入して、アセンブリ１２０’の下端とＳｉＣ部材１２０Ｃの上面とを、ＳｉＣ部材１２０Ｃの上面に露出したＮｉ層１２２を介して接合する。この接合は例えば超音波振動による摩擦接合によって行なう。
【００２８】
これにより図１のピストン１００が完成する。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
本発明によれば、従来技術のような重量や吸水による問題を解消して、ヘッド部の高熱伝導化を実現した内燃機関用ピストンが提供される。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】図１は本発明の内燃機関用ピストンの一例を示す断面図である。
【図２】図２は、図１のピストンを構成するピストン本体を示す断面図である。
【図３】図３は、図１のピストンのＳｉＣ伝熱体を構成するＳｉＣ部材のアセンブリを示す断面図である。
【図４】図４は、図３のＳｉＣ部材アセンブリに被覆を行なった状態を示す断面図である。
【図５】図５は、図４のＳｉＣ部材アセンブリと組み合わせて図１のＳｉＣ伝熱体を構成する別のＳｉＣ部材を示す断面図である。
【符号の説明】
【００３１】
１００…本発明の内燃機関用ピストン
１１０…ピストン１１０のＡｌ合金製本体
１１０Ａ…ピストン１１０のヘッド
１１０Ｓ…ピストンヘッド１１０Ａの頂面
１１０Ｒ…ピストンヘッド１１０Ａの裏面
１２０…ＳｉＣ伝熱体（ピストンヘッド１１０Ａ内に埋め込まれている）
１２０Ｓ…ＳｉＣ伝熱体１２０の頂面
１２０Ｒ…ＳｉＣ伝熱体１２０の裏面
１２２…Ｎｉ層
１２４…Ｃｕ層
１２６…Ａｇ層
１３０…コンロッド
１３２…油通路
１３４…冷却油ジェット
【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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