(57)【要約】      （修正有）【課題】大幅な温度変化に曝されても変形及び／又は支持体との接合部に割れを生じない、断熱部を内部に有する構造体を提供する。【解決手段】断熱部１３を内部に有する構造体１０において、当該構造体１０の使用時に大幅な温度変化に曝される面と上記断熱部１３とに挟まれる部分を形成する部材１１の熱膨張係数が、当該構造体１０の上記部分以外の部分１２の熱膨張係数よりも小さくなるようにする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
断熱部を内部に有する構造体であって、
前記構造体の外面のうち使用時に最も大きい温度変化に曝される外面である第１外面と前記断熱部とによって挟まれる前記構造体の部分の少なくとも一部である第１部分は第１部材により形成され、
前記構造体の前記第１部分以外の部分である第２部分は第２部材により形成され、且つ
前記第１部材は、前記第２部材の熱膨張係数よりも小さい熱膨張係数を有するように構成された、
構造体。
【請求項２】
請求項１に記載の構造体において、
前記断熱部は、前記第１部分及び前記第２部分によって前記構造体の内部に画定された空隙として構成された、
構造体。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の構造体において、
前記第１部材及び前記第２部材は、それぞれ焼結材である、
構造体。
【請求項４】
請求項３に記載の構造体において、
前記第１部材及び前記第２部材は、それぞれ鉄を含む焼結材である、
構造体。
【請求項５】
請求項１乃至４の何れか１項に記載の構造体において、
前記第１部材の熱膨張係数は、前記第２部材の熱膨張係数の９０％以下である、
構造体。
【請求項６】
請求項１乃至５の何れか１項に記載の構造体において、
前記第１部材の熱膨張係数は、前記第２部材の熱膨張係数の４０％以上である、
構造体。
【請求項７】
請求項１乃至６の何れか１項に記載の構造体において、
前記第１外面に平行な平面への投影図において、前記第１部分の等価円直径は前記断熱部の等価円直径の５０％以上であり１１０％以下である、
構造体。
【請求項８】
請求項１乃至７の何れか１項に記載の構造体において、
前記第１外面に平行な平面への投影図において、前記第１部分の等価円直径から前記断熱部の等価円直径を減算した差は、前記構造体の等価円直径から前記断熱部の等価円直径を減算した差の５５％以下である、
構造体。
【請求項９】
内燃機関のピストンであって、
前記ピストンの頂面に形成された凹部の中に、請求項１乃至８の何れか１項に記載の構造体が配設された、
ピストン。
【請求項１０】
請求項９に記載のピストンを備えた、
内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば空隙等からなる断熱部を内部に有する構造体に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、内燃機関の筒内において燃料噴射弁から噴射された燃料が衝突するピストン頂面の特定領域に、例えば空隙等からなる断熱部を内部に有する構造体を配設することにより、当該領域の断熱性を高めることが知られている（例えば、特許文献１及び２を参照。）。これによれば、ピストンの頂面から本体への熱伝導が上記構造体によって妨げられるので、ピストン頂面の温度低下が抑制される。その結果、例えば、内燃機関の始動直後においても、ピストン頂面における燃料の蒸発が促進され、適切な可燃混合気が形成され、例えば、排気中に含まれる未燃燃料の低減等、エミッションの改善効果が達成される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−０７６４７１号公報
【特許文献２】特開２０００−２９７６９５号公報
【発明の概要】
【０００４】
上述したように、断熱部を内部に有する構造体がピストン頂面に配設された内燃機関においては、ピストン頂面の温度低下が抑制され、冷却損失が低減されるので、適切な可燃混合気の形成が促進され、例えばエミッションの改善等の効果が得られる。
【０００５】
しかしながら、このような内燃機関を稼働させて燃料の燃焼に伴う大幅な温度変化に上記構造体を曝すと、上記構造体が変形して、上記構造体を支持するピストン本体と上記構造体との接合部に割れが発生したりする場合がある。更に、上記構造体の熱源との接触面と断熱部とに挟まれる部分（以降、「断熱部の直上部」又は単に「直上部」と称される場合がある。）と、この直上部の周縁部（以降、「周縁部」と称される場合がある。）と、の界面に割れが発生したりする場合がある。
【０００６】
本発明は、上記のような課題に対処すべく為されたものである。即ち、本発明は、大幅な温度変化に曝されても変形及び／又は割れを生じない、断熱部を内部に有する構造体を提供することを１つの目的とする。
【０００７】
ここで、上記のように大幅な温度変化に曝されたときに構造体の変形及び／又は割れが生ずるメカニズムにつき、図面を参照しながら考察する。図５は、断熱部（空隙）を内部に有する従来技術に係る構造体５０が高温に曝されたときに変形する様子を示す模式図である。構造体５０においては、断熱部５３（空隙）以外の総ての部分が同じ部材によって形成されており、同じ熱膨張係数を有する。構造体５０は、内燃機関のピストン６０の頂面に配設されている。
【０００８】
内燃機関の筒内における燃焼ガスへの接触等により構造体５０に熱が供給されると、構造体５０の熱源（燃焼ガス）との接触面（図５に向かって上側の主面）から構造体５０を支持するピストン６０へと熱が伝達される。しかしながら、構造体５０の内部にある断熱部５３の熱伝導率が低いため、構造体５０の熱源との接触面と断熱部５３とに挟まれる部分（直上部５１）においては、ピストン６０側へと熱を伝達する（逃がす）ことが困難である。その結果、直上部５１の温度は高くなる。
【０００９】
一方、直上部５１の周縁部の内部（下部）には断熱部５３は形成されていない。従って、周縁部においては、ピストン６０へと熱を伝達することが比較的容易である。その結果、周縁部の温度は相対的に低くなる。更に、断熱部５３を挟んで直上部５１とは反対側にある部分（以降、「直下部」と称される場合がある。）は、断熱部５３によって直上部５１からの熱伝達が妨げられるので、そもそも温度が上がり難い。加えて、直下部はピストン６０と直接接しているため、周縁部から熱が伝達されても、ピストン６０へと熱を容易に伝達することができる。
【００１０】
上記のように、構造体５０における直上部５１の温度は、その他の部分５２（周縁部及び直下部）の温度よりも高くなる。従って、直上部５１とその他の部分５２とが同じ材料によって形成されており、両者が同じ熱膨張係数を有していても、温度上昇に伴う直上部５１の膨張量はその他の部分５２の膨張量よりも大きくなる（実線の両矢印）。しかしながら、直上部５１の膨張はその他の部分５２（周縁部）によって妨げられる（拘束される）ので、直上部５１とその他の部分との間には大きい応力が作用する（白抜きの矢印）。
【００１１】
上記応力が構造体５０の耐力よりも大きい場合、構造体５０の変形が生じたり、直上部５１とその他の部分５２（周縁部）との界面に割れが生じたりすると考えられる。更に、このような構造体５０の変形が生ずると、ピストン６０と構造体５０との接合部Ｊ（太線）において構造体５０がピストン６０から脱離する「割れ」が発生すると考えられる。
【００１２】
その後、構造体５０の温度が低下すると、上記のように膨張した構造体５０の各部が収縮する。このときの温度の低下幅もまた、直上部５１の方が、その他の部分５２よりも大きい。従って、この温度低下に伴う収縮量もまた、直上部５１の方が、その他の部分５２よりも大きい。このとき、上記のような応力に起因する構造体５０の変形が可逆的変形（弾性変形）のみであれば、温度の低下に伴い構造体５０は温度上昇前の状態に戻る筈である。しかしながら、上記のような構造体５０の変形に不可逆的変形（塑性変形）が含まれている場合、構造体５０の温度が低下しても、構造体５０の寸法及び／又は形状は温度上昇前の状態には戻らず残留歪みが残る。
【００１３】
上記のようなメカニズムにより、断熱部を内部に有する構造体を大幅な温度変化に曝すと、構造体の変形及び／又は割れが発生するものと考えられる。
【００１４】
そこで、本発明者は、鋭意研究の結果、断熱部を内部に有する構造体の高温に曝される面と断熱部とに挟まれる部分の熱膨張係数と当該構造体のその他の部分の熱膨張係数とが所定の関係を満たすようにすることにより、上記目的を達成することができることを見出した。
【００１５】
具体的に述べると、断熱部を内部に有する構造体において、当該構造体の使用時に大幅な温度変化に曝される面と上記断熱部とに挟まれる部分を形成する部材の熱膨張係数が、当該構造体の上記部分以外の部分の熱膨張係数よりも小さくなるようにする。これにより、当該構造体が大幅な温度変化に曝されても、当該構造体において変形及び／又は割れが発生する問題を低減することができることを見出したのである。
【００１６】
上記のような点に鑑み、本発明に係る構造体（以降、「本発明構造体」と称される場合がある。）は、断熱部を内部に有する構造体である。更に、前記構造体の外面のうち使用時に最も大きい温度変化に曝される外面である第１外面と前記断熱部とによって挟まれる前記構造体の部分の少なくとも一部である第１部分は第１部材により形成される。一方、前記構造体の前記第１部分以外の部分である第２部分は第２部材により形成される。加えて、前記第１部材は、前記第２部材の熱膨張係数よりも小さい熱膨張係数を有するように構成される。
【００１７】
本発明構造体においても、上述した従来技術にかかる構造体と同様に、断熱部を介する熱伝導が妨げられるので、第１外面が高温に曝されると、第１外面と断熱部とによって挟まれる部分の温度がその他の部分よりも高くなる。しかしながら、本発明構造体においては、上記のように、第１部分（第１外面と断熱部とによって挟まれる部分の少なくとも一部）が第２部分（本発明構造体の第１部分以外の部分）よりも低い熱膨張係数を有する。即ち、第１部材の熱膨張係数は、第２部材の熱膨張係数よりも小さい。
【００１８】
従って、本発明構造体においては、第１外面と断熱部とによって挟まれる部分の温度がその他の部分よりも高くなっても、第１部分の膨張量が第２部分の膨張量よりも大きいことに起因して第１部分と第２部分との間に作用する応力を低減することができる。その結果、本発明構造体は、断熱部を内部に有するにも拘わらず、大幅な温度変化に曝されたときの変形及び／又は割れの発生を低減することができる。
【００１９】
本発明構造体において、前記断熱部は、前記第１部分及び前記第２部分によって前記構造体の内部に画定された空隙として構成され得る。このような断熱部によれば、特別な部材及び／又は構造を用いること無く、上記空隙によって当該断熱部を介する熱伝導を有効に妨げることができる。
【００２０】
本発明構造体において、前記第１部材及び前記第２部材は、それぞれ焼結材であり得る。典型的には、上記焼結材は、鉄系の粉末を焼結させることによって得られる鉄系焼結材である。即ち、本発明構造体において、前記第１部材及び前記第２部材は、それぞれ鉄を含む焼結材によって構成され得る。
【００２１】
上記のように第１部材及び第２部材をそれぞれ焼結材とすることにより、上述した熱膨張係数と、本発明構造体の用途において必要とされる性質（例えば、機械的強度、密度、耐熱性及び寸法安定性等）と、を容易に両立させることができる。特に、第１部材及び第２部材をそれぞれ鉄系焼結材とすることは、例えば内燃機関のピストン用途等において、特に望ましい。
【００２２】
上記のように第１部材の熱膨張係数が第２部材の熱膨張係数より小さくても、これらの熱膨張係数の差が過度に小さい場合、大幅な温度変化に曝されたときの変形及び／又は割れの発生を低減する効果を十分に得ることが困難な場合がある。このような観点から、より好ましくは、前記第１部材の熱膨張係数は、前記第２部材の熱膨張係数の９０％以下である。これによれば、大幅な温度変化に曝されたときの変形及び／又は割れの発生を低減する効果をより確実に得ることができる。
【００２３】
一方、第１部材の熱膨張係数が第２部材の熱膨張係数よりも過度に小さい場合（即ち、これらの熱膨張係数の差が過度に大きい場合）、本発明構造体が高温に曝されたときの第２部材の膨張量に対して第１部材の膨張量が過度に小さくなる場合がある。その結果、本発明構造体の構成によっては、第１部材と第２部材との界面に割れが生ずる場合がある。このような観点から、より好ましくは、前記第１部材の熱膨張係数は、前記第２部材の熱膨張係数の４０％以上である。これによれば、大幅な温度変化に曝されたときの第１部材と第２部材との界面における割れの発生をより確実に低減することができる。
【００２４】
ところで、上述したように、本発明構造体においては、必ずしも直上部の全体が第１部分として第１部材によって形成されていなくてもよく、直上部の少なくとも一部が第１部分として第１部材によって形成されていればよい。この場合、より好ましくは、前記第１外面に平行な平面への投影図において、前記第１部分の等価円直径は前記断熱部の等価円直径の５０％以上であり１１０％以下である。これによれば、大幅な温度変化に曝されたときの本発明構造体における変形及び／又は割れの発生を低減する効果をより確実に得ることができる。
【００２５】
ところで、上記においては、第１部分の周縁部へのはみ出しの程度を断熱部の大きさに基づいて規定した。しかしながら、周縁部の大きさに対する第１部分の周縁部へのはみ出しの程度においても、好ましい範囲がある。
【００２６】
具体的には、前記第１外面に平行な平面への投影図において、前記第１部分の等価円直径から前記断熱部の等価円直径を減算した差は、前記構造体の等価円直径から前記断熱部の等価円直径を減算した差の５５％以下である。これによれば、大幅な温度変化に曝されたときの本発明構造体における変形及び／又は割れの発生を低減する効果をより確実に得ることができる。
【００２７】
ところで、上述したように、本発明構造体は、例えば内燃機関のピストン用途等において、特に好適に使用され得る。従って、本発明のもう１つの実施態様は、内燃機関のピストンであって、前記ピストンの頂面に形成された凹部の中に、請求項１乃至８の何れか１項に記載の構造体が配設された、ピストンである。更に、本発明の更にもう１つの実施態様は、上記ピストンを備えた、内燃機関である。
【００２８】
本発明の他の目的、他の特徴及び付随する利点は、以下の図面を参照しつつ記述される本発明の各実施形態についての説明から容易に理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の第１実施形態に係る構造体（第１構造体）の構成を示す模式的な断面図である。
【図２】第１構造体の製造方法を示す模式図である。
【図３】第１構造体が高温に曝されても変形しない様子を示す模式図である。
【図４】本発明の第２実施形態に係る構造体（第２構造体）における（ａ）第２部分の直上部への侵入及び（ｂ）第１部分の直上部からのはみ出しを示す模式図である。
【図５】断熱部を内部に有する従来技術に係る構造体が高温に曝されたときに変形する様子を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
（第１実施形態）
以下、図面を参照しながら本発明の第１実施形態に係る構造体（以下、「第１構造体」と称される場合がある。）について説明する。第１構造体は、２．４ｍｍの厚み及び３０ｍｍの直径を有する円盤状の形状である。
【００３１】
（構造）
図１は、第１構造体１０の使用時に最も大きい温度変化に曝される外面である第１外面に垂直な平面による模式的な断面図である。第１外面は図１に向かって上側の面である。第１構造体１０は、その内部に画定された空隙として構成された断熱部１３を内部に有する。断熱部１３の厚み（第１外面の法線方向における大きさ）は０．２ｍｍであり、直径は２４ｍｍである。第１構造体１０においては、第１外面と断熱部１３とによって挟まれる構造体の部分（直上部）の全体が、第１部材により形成された第１部分１１として構成されている。第１部分１１の厚みは１．２ｍｍである。
【００３２】
一方、第１構造体１０の第１部分１１以外の部分である第２部分１２は第２部材により形成されている。第１構造体１０においては、上記のように、第１部分１１が直上部の全体を占めている。従って、第２部分１２は、第１構造体１０の第１外面に平行な平面への投影図において断熱部１３よりも外側にある部分である周縁部１２ａと、断熱部１３を挟んで直上部とは反対側にある直下部１２ｂと、からなる部分に一致する。直下部１２ｂの厚みは１．０ｍｍである。第１構造体１０において、第１部材１１及び第２部材１２は、それぞれ鉄を含む焼結材（鉄系焼結材）である。第１部材１１及び第２部材１２の組成等については後に詳述する。
【００３３】
（製造方法）
上記のように鉄系焼結材によって形成された第１構造体１０は、例えば、図２に示すようにして製造される。先ず、工程（１）において、第２部材１２の原料粉末（粉末Ｂ）を型の中に入れる。この型は、図２に向かって上下方向を軸とする円柱形の成形空間を有する。次に、工程（２）において、断熱部１３としての空隙を形成するためのシートを粉末Ｂの上に設置する。このシートは、例えば樹脂等、後の焼結工程において焼き飛ばすことが可能な材料によって形成され、断熱部１３として必要な形状及び大きさの空隙に対応する形状及び大きさを有する。第１構造体１０において、このシートは円盤状の形状を有し、第１構造体１０と同心円状に設置される。
【００３４】
更に、工程（３）において、筒の外側に粉末Ｂを更に入れる。この工程（３）において型の中に入れられた粉末Ｂと、工程（１）において型の中に入れられた粉末Ｂと、が第２部分１２を形成する。次に、工程（４）において、筒の内側に粉末Ａを入れる。この工程（４）において筒の中に入れられた粉末Ａが第１部分１１を形成する。
【００３５】
更に、工程（５）において型から筒が抜き取られ、次の工程（６）において型の中にある粉末Ａ、粉末Ｂ及びシートが所定の面圧にて圧縮され（黒い矢印を参照）成形される。そして、図示しない焼結工程において成形体が焼結される。このとき、シートは焼き飛ばされて第１構造体１０の中に空隙が形成される。この空隙が断熱部１３となる。このようにして、第１構造体１０が製造される。
【００３６】
（熱膨張係数）
第１構造体１０において、粉末Ａを原料とする第１部材１１は、粉末Ｂを原料とする第２部材１２の熱膨張係数よりも小さい熱膨張係数を有するように構成されている。より具体的には、第１部材１１の熱膨張係数は、第２部材１２の熱膨張係数の９０％以下であり、且つ、第２部材１２の熱膨張係数の４０％以上である。
【００３７】
ここで、第１部材１１の熱膨張係数の第２部材１２の熱膨張係数に対する比率と、第１構造体１０が大幅な温度変化に曝されたときの変形及び／又は割れの発生と、の関係について詳しく説明する。表１は、上記関係について実験した各種構造体（１ａ乃至１ｆ）において使用した各種鉄系焼結材の原料粉末（粉末Ａ１乃至Ａ６及び粉末Ｂ）の組成（質量％）、それぞれの原料粉末から得られた焼結材の熱膨張係数ＣＴＥ（１０−６／℃）及び第２部材に対するＣＴＥの比率（％）を示す。熱膨張係数は、室温から４００℃まで昇温したときの各焼結材の寸法変化に基づいて算出した。
【００３８】
【表１】
2016125468.tif 000003
【００３９】
次に、上記各種原料粉末（粉末Ａ１乃至Ａ６及び粉末Ｂ）を使用して、以下の表２に示す各種構造体（１ａ乃至１ｆ）を製造した。表２に示すように、構造体１ｂ乃至１ｅにおいては、第１部材の熱膨張係数の第２部材の熱膨張係数に対する比率（ＣＴＥ比率）が９０％以下であり且つ４０％以上である。即ち、構造体１ｂ乃至１ｅは第１構造体１０の実施例であり、構造体１ａ及び１ｆは比較例である。各種構造体（１ａ乃至１ｆ）の構造及び製造方法については、上述した通りである。
【００４０】
次に、上記のようにして得られた各種構造体（１ａ乃至１ｆ）を、内燃機関のピストンの頂面を模したアルミニウム製の支持体２０の頂面に形成された凹部に嵌め込み、接合した。このようにして支持体２０に担持された各種構造体を、内燃機関の燃焼室内の状態を模したヒートサイクルに付し、構造体の変形及び第１部分と第２部分との界面における割れの発生の有無を目視にて検査した。
【００４１】
具体的には、各種構造体（１ａ乃至１ｆ）の直上部を高周波コイルにて加熱する一方で周縁部を冷却することにより、直上部とその他の部分との間に温度差を生じさせた。直上部は、３２０℃から４５０℃まで３０秒間かけて昇温し、４５０℃において４０秒間に亘って維持した後、４５０℃から３２０℃まで３０秒間かけて降温するサイクルに５００回に亘って曝した。このとき、周縁部の温度は、２１０℃から２４０℃の温度範囲において直上部と同様に変化した。当該検査の結果もまた表２に列挙する。
【００４２】
【表２】
2016125468.tif 000004
【００４３】
表２に示した結果からも明らかであるように、比較例である構造体１ａにおいては上記熱処理後に構造体の変形が認められた。更に、もう１つの比較例である構造体１ｆにおいては上記熱処理後に第１部分と第２部分との界面における割れの発生が認められた。これに対し、第１構造体１０の実施例である構造体１ｂ乃至１ｅにおいては、上記熱処理を経た後も、構造体の変形及び第１部分と第２部分との界面における割れの発生は認められなかった。尚、表２には示していないが、第１部材及び第２部材の何れも粉末Ｂを用いて製造された従来技術に係る構造体については、上述したヒートサイクルに１０回曝された時点で既に構造体の変形が認められた。
【００４４】
ここで、第１構造体１０の実施例に係る各種構造体１ｂ乃至１ｅにおける上記挙動について説明する。図３は、第１構造体１０が高温に曝されても変形しない様子を示す模式図である。上述したように、第１構造体１０においては、第１部材１１が第２部材１２の熱膨張係数よりも小さい所定の熱膨張係数を有するように構成されている。これにより、第１構造体１０の第１外面が高温に曝された際に断熱部１３を介する熱伝導が妨げられて直上部の温度がその他の部分より高くなっても、（ａ）に示したように、第１部分１１の膨張量が第２部分１２の膨張量よりも過度に大きくはならない（実線の両矢印）。従って、第１部分１１と第２部分１２との間に作用する応力を低減することができる（白抜きの矢印）。その結果、第１構造体１０は、断熱部を内部に有するにも拘わらず、（ｂ）に示したように、大幅な温度変化に曝されたときの変形及び／又は割れの発生を低減することができる。
【００４５】
（断熱部の変形例）
ところで、上記のように、第１構造体１０が有する断熱部１３は、第１構造体１０の内部に画定された空隙として構成されている。しかしながら、本発明構造体が内部に有する断熱部は、当該断熱部を介する熱伝導を妨げることが可能であり且つ当該断熱部を内部に有する本発明構造体の用途において不都合を生じない限り、如何なる構造を有していてもよく、如何なる材料によって構成されていてもよい。具体的には、断熱部は、本発明構造体の用途において要求される断熱性に応じた熱伝導率を備える材料によって形成されていてもよい。このような材料の具体例としては、例えば、アルミナ、ジルコニア、イットリア、炭化珪素、窒化珪素、窒化アルミ、コージェライト、ムライト及びシリカ等の各種セラミックス等を挙げることができる。
【００４６】
更に、断熱部は、本発明構造体の用途において要求される断熱性に応じた熱伝導率をその構造によって達成することができる部材であってもよい。このような部材の具体例としては、例えば、その内部に空隙を有する部材（例えば、多孔質部材等）等を挙げることができる。
【００４７】
（第１部材及び第２部材の変形例）
ところで、上記のように、第１構造体１０において、第１部材１１及び第２部材１２は、それぞれ鉄を含む焼結材である。しかしながら、本発明構造体における第１部材及び第２部材は、第１部材の方が第２部材よりも小さい熱膨張係数を有し且つ本発明構造体の用途において必要とされる性質（例えば、機械的強度、密度、耐熱性及び寸法安定性等）を備える限り、如何なる材料によって構成されていてもよい。このような材料の具体例としては、例えば、鉄系焼結材、非鉄系焼結材を挙げることができるが、焼結材以外の材料を用いてもよい。
【００４８】
（第１部材及び第２部材の熱膨張係数の変形例）
ところで、上記のように、第１構造体１０において、第１部材１１の熱膨張係数は、第２部材１２の熱膨張係数の９０％以下であり、且つ、第２部材１２の熱膨張係数の４０％以上である。しかしながら、前述したように、本発明構造体において、第１部材の熱膨張係数と第２部材の熱膨張係数との差が過小又は過大でない範疇において、第１部材の熱膨張係数は第２部材の熱膨張係数よりも小さければよい。第１部材の熱膨張係数の第２部材の熱膨張係数に対する具体的な比率は、例えば、本発明構造体の構造及び第１部材及び第２部材を構成する材料等、本発明構造体の構成に応じて適宜定めることができる。
【００４９】
従って、本発明構造体の構成によっては、第１部材の熱膨張係数が第２部材の熱膨張係数の９０％を超えていても、第１部材の熱膨張係数は第２部材の熱膨張係数よりも小さいことにより、大幅な温度変化に曝されたときの構造体の変形を低減することができる。或いは、本発明構造体の構成によっては、第１部材の熱膨張係数は、第２部材の熱膨張係数の４０％未満であっても、大幅な温度変化に曝されたときの構造体における割れの発生を低減することができる。
【００５０】
（第２実施形態）
上述した第１構造体１０のように、典型的には、本発明構造体の外面のうち使用時に最も大きい温度変化に曝される外面である第１外面と断熱部とによって挟まれる部分の全体が第１部材によって形成され、その他の部分は第２部材によって形成される。即ち、この場合、第１外面と断熱部とによって挟まれる部分（直上部）の全体が第１部分であり、その他の部分（周縁部及び直下部）が第２部分である。
【００５１】
しかしながら、本発明構造体においては、前述したように、必ずしも直上部の全体が第１部分として第１部材によって形成されていなくてもよく、直上部の一部のみが第１部分として第１部材によって形成されていてもよい。この場合、図４の（ａ）に白抜きの矢印で示したように、第２部分が直上部に侵入した状態となる。逆に、第１部材によって形成される第１部分が直上部の周縁部にまで及んでいてもよい。この場合、図４の（ｂ）に黒塗りの矢印で示したように、第１部分が周縁部にはみ出した状態となる。
【００５２】
上記のような状態は、例えば、第１構造体１０のように第１部材及び第２部材が鉄系の粉末を焼結させることによって得られる鉄系焼結材である場合に、それぞれの部材の原料粉末を成形型に入れて成形する過程において、意図せず生ずる可能性もある。
【００５３】
本発明の第２実施形態に係る構造体（以下、「第２構造体」と称される場合がある。）は、上記のような第２部分の直上部への侵入又は第１部分の周縁部へのはみ出しを伴う。具体的には、第２構造体において、第１外面に平行な面内方向における第２部分の直上部への侵入幅が断熱部の大きさ（長さ）の２５％以下であり、第１外面に平行な面内方向における第１部分の周縁部へのはみ出し幅が断熱部の大きさ（長さ）の１０％以下である。換言すれば、第２構造体において、第１外面に平行な平面への投影図における第１部分の等価円直径は断熱部の等価円直径の５０％以上であり１１０％以下である。
【００５４】
ここで、第１外面に平行な平面への投影図における第１部分の等価円直径の断熱部の等価円直径に対する比率（直径比率）と、第２構造体が大幅な温度変化に曝されたときの変形と、の関係について詳しく説明する。表３は、上記関係について実験した各種構造体（２ａ乃至２ｋ）における上記直径比率と構造体の変形の有無を示す。表３には、各種構造体における第２部分の直上部への侵入幅の断熱部の大きさ（長さ）に対する比率（侵入率）及び第１部分の周縁部へのはみ出し幅の断熱部の大きさ（長さ）に対する比率（はみ出し率）も併記した。
【００５５】
表３に示すように、構造体２ｃ乃至２ｉにおいては、上記直径比率が５０％以上であり且つ１１０％以下である。即ち、構造体２ｃ乃至２ｉは第２構造体の実施例であり、構造体２ａ、２ｂ、２ｊ及び２ｋは比較例である。各種構造体（２ａ乃至２ｋ）の構造は、第２部分の直上部への侵入及び第１部分の周縁部へのはみ出しを除き、第１構造体１０と同様である。更に、各種構造体（２ａ乃至２ｋ）の製造方法もまた第１構造体１０について上述した通りである。尚、何れの構造体においても断熱部として空隙を形成し、第１部材及び第２部材は第１構造体１０の実施例１ｃと同じである。このようにして得られた各種構造体（２ａ乃至２ｋ）を、第１構造体１０と同様の熱処理に付して、構造体の変形の有無を目視にて検査した。当該検査の結果もまた表３に列挙する。
【００５６】
【表３】
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【００５７】
表３に示した結果からも明らかであるように、比較例である構造体２ａ、２ｂ、２ｊ及び２ｋにおいては上記熱処理後に構造体の変形が認められた。これに対し、第２構造体の実施例である構造体２ｃ乃至２ｉにおいては、上記熱処理を経た後も、構造体の変形は認められなかった。即ち、第１外面に平行な平面への投影図における第１部分の等価円直径が断熱部の等価円直径の５０％以上であり１１０％以下である第２構造体において、大幅な温度変化に曝されたときの構造体の変形が低減された。
【００５８】
上記現象の発生メカニズムにつき、以下に考察する。前述したように、本発明構造体においては、相対的に小さい熱膨張係数を有する第１部材によって第１部分を形成することにより、大幅な温度変化に曝されたときの本発明構造体における変形及び／又は割れの発生を低減する。従って、上記構造体２ａ及び２ｂのように、第２部分の直上部への侵入が大きく、断熱部の直上部において第１部分が占める割合が過度に小さくなると、大幅な温度変化に曝されたときの構造体における変形を低減する効果を十分に得ることが困難となると考えられる。
【００５９】
逆に、上記構造体２ｊ及び２ｋのように、第１部分の周縁部へのはみ出しが大きく、周縁部において第２部分が占める割合が過度に小さくなると、構造体が大幅な温度変化に曝されたときの直上部側（第１外面側）の膨張量と直下部側の膨張量との差が過大となり、例えば構造体の反り等の変形が生ずると考えられる。
【００６０】
ところで、上記においては、第１部分の周縁部へのはみ出しの程度を断熱部の大きさに基づいて規定した。しかしながら、前述したように、周縁部の大きさに対する第１部分の周縁部へのはみ出しの程度においても、好ましい範囲がある。具体的には、第２構造体の第１外面に平行な平面への投影図において、第１部分の等価円直径から断熱部の等価円直径を減算した差（第１部分の周縁部へのはみ出し幅に相当）の、第２構造体の等価円直径から断熱部の等価円直径を減算した差（周縁部の幅に相当）に対する比率（周縁部はみ出し率）は５５％以下である。これによれば、大幅な温度変化に曝されたときの構造体における変形を低減する効果をより確実に得ることができる。表３のはみ出し率の欄における括弧書きは、上記「周縁部はみ出し率」である。
【００６１】
（第３及び第４実施形態）
前述したように、本発明構造体は、例えば内燃機関のピストン用途等において、特に好適に使用され得る。従って、本発明の第３実施形態は、内燃機関のピストンであって、当該ピストンの頂面に形成された凹部の中に、本発明の何れかの実施形態又は変形例に係る構造体が配設された、ピストンである。更に、本発明の第４実施形態は、本発明の上記第３実施形態に係るピストンを備えた、内燃機関である。
【００６２】
以上、本発明を説明することを目的として、特定の構成を有する幾つかの実施形態及び変形例につき、時に添付図面を参照しながら説明してきたが、本発明の範囲は、これらの例示的な実施形態及び変形例に限定されると解釈されるべきではなく、特許請求の範囲及び明細書に記載された事項の範囲内で、適宜修正を加えることが可能であることは言うまでも無い。
【符号の説明】
【００６３】
１０…構造体、１１…第１部分、１２…第２部分、１２ａ…周縁部、１２ｂ…直下部、１３…断熱部、２０…支持体及びＪ…接合部。
【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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