JP2008267599A - ピストン及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ピストン低温時にピストン頂面の温度が過度に低くなることを防止して、燃料の結露を抑えることができるとともに、ピストン高温時にピストン頂面の温度が過度に高くなることを防止して、オイル劣化やノッキングを抑えることができる低熱伝導率シートを備えたピストンであって、熱膨張率の違いにより低熱伝導率シートが破損等することがなく、しかもその製造が容易なピストンを提供する。
【解決手段】燃焼室２に面するピストン頂面１ａを有するピストン本体１０と、ピストン頂面１ａに形成された耐熱性樹脂よりなる弾性接着剤層１１と、弾性接着剤層１１上に形成され、ピストン本体１０よりも低い熱伝導率を有する低熱伝導率シート１２と、を備えている。弾性接着剤層１１はポリイミドよりなり、低熱伝導率シート１２はチタンシートよりなる。
【選択図】図１

Description

本発明はピストン及びその製造方法に関し、詳しくは内燃機関の燃焼室に面する頂面における構造を改良したピストン及びその製造方法に関する。

自動車エンジン等の内燃機関の始動時や低負荷時において、燃焼室に面するピストン頂面の温度が低いと、燃焼室内の燃料が液体状態でピストン頂面に付着して未燃焼ガスになる場合があり、ＨＣエミッションや燃費の悪化を招くことがある。

一方、エンジン温度が高くなる高負荷時において、ピストン頂面の温度が過度に高くなると、エンジンオイルの劣化が進みやすく、また、燃焼室内の混合気が過熱されてノッキングが起こりやすくなる。さらには、燃焼室内の空気量が減少し、エンジンの出力低下を招くおそれがある。

ここに、特許文献１には、燃焼室に面するピストン頂面等に、低い熱拡散率を有する低熱拡散率塗膜を形成したピストンが開示されている。この低熱拡散率塗膜は、チタニウム・アルミナイド、酸化ジルコニウムやステンレス鋼等の粉末塗膜材料をプラズマ中に注入しつつ塗布するプラズマスプレーにより、ピストン頂面に形成されたものである。

このピストンでは、ピストン頂面に形成された低熱拡散率塗膜により、例えばピストンに貯蔵された熱が燃焼室内の混合気に放出されることを抑えることができる。このため、エンジン温度が高くなる高負荷時において、エンジンオイルの劣化を抑えたり、燃焼室内の混合気が過熱されることを抑えてノッキングの発生を防止したり、あるいは出力低下を抑えたりすることができる。

また、特許文献２に開示されたピストンでは、ピストン頂面に凹部が形成され、この凹部が、セラミックス焼結体よりなる表面層と、この表面層の外周面側を囲繞する非金属無機多孔体（多孔質セラミックス成形体やセラミックスファイバー成形体等）よりなる断熱弾性層と、この断熱弾性層を鋳ぐるむピストン本体を形成する金属鋳造体とからなる三層構造とされている。
特開平８−１００６５９号公報 特開平１−１７０７４５号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載された従来のピストンでは、チタニウム・アルミナイドや酸化ジルコニウム等よりなる低熱拡散率塗膜とピストン母材との熱膨張率の差により、ピストン頂面に形成された低熱拡散率塗膜が破損したり、剥離したりするおそれがあった。

また、プラズマスプレーによって低熱拡散率塗膜が形成された上記従来のピストンでは、プラズマ発生装置が必要であったり、あるいは所定厚さの塗膜を形成するための条件設定が面倒であったりするため、製造面での難しさがあった。

一方、上記特許文献２に記載された従来のピストンでは、ピストン本体を鋳造する際に断熱弾性層を金属鋳造体で鋳ぐるむ必要があるため、その製造が面倒であり、またピストン本体に対する表面層や断熱弾性層の接合性についての信頼性が充分ではなかった。

本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、ピストン低温時にピストン頂面の温度が過度に低くなることを防止して、燃料の結露を抑えることができるとともに、ピストン高温時にピストン頂面の温度が過度に高くなることを防止して、オイル劣化、ノッキングや内燃機関の出力低下を抑えることができる低熱伝導率シートを備えたピストンであって、熱膨張率の違いにより低熱伝導率シートが破損等することがなく、しかもその製造が容易なピストンを提供することを目的とする。

また、本発明は、ピストン本体に対する低熱伝導率シートの接合性についての信頼性を向上させることを他の目的とする。

（１）請求項１に記載されたピストンは、燃焼室に面するピストン頂面を有するピストン本体と、前記ピストン頂面に形成された耐熱樹脂よりなる弾性接着剤層と、前記弾性接着剤層上に形成され、前記ピストン本体よりも低い熱伝導率を有し、該熱伝導率が５〜４０Ｗ／ｍ・Ｋの低熱伝導率シートと、を備えていることを特徴とする。

請求項１に記載のピストンでは、燃焼室に面するピストン頂面に低熱伝導率シートが弾性接着剤層により接着されている。この低熱伝導率シートは４０Ｗ／ｍ・Ｋ以下の熱伝導率を有し断熱層として機能する。このため、エンジンの始動時（燃焼室内やピストンの温度が低いコールドスタート時）や低負荷時に、燃焼室からの熱により温度が上昇した低熱伝導率シートからピストン本体への熱伝導を抑えることができ、ピストン頂面のうち低熱伝導率シートの部分を速やかに昇温させることができる。したがって、エンジンの始動時や低負荷時に、ピストン頂面の温度が過渡に低いことにより燃焼室内の燃料が液体状態でピストン頂面に付着して未燃焼ガスになることを防止することができる。よって、請求項１に記載のピストンによると、ＨＣエミッションや燃費の悪化を防ぐことが可能となる。

一方、低熱伝導率シートは５Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有する。このため、低熱伝導率シートが加熱されたとき、この低熱伝導率シートから弾性接着剤層を介してピストン本体に適度に放熱されるため、低熱伝導率シートの温度は過度に高くならない。したがって、エンジンの高負荷時に、エンジンオイルの劣化、ノッキングの発生及び出力低下を抑えることが可能となる。

そして、請求項１に記載のピストンでは、低熱伝導率シートが弾性接着剤層により接着されており、低熱伝導率シートとピストン本体との間に弾性接着剤層が介在している。この弾性接着剤層は、弾性変形することにより、低熱伝導率シートとピストン本体との熱膨張率の違いによる両者の相対的な熱変形を吸収する。このため、熱膨張率の違いによりピストン本体に対して低熱伝導率シートが相対的に変形したとしても、低熱伝導率シートが破壊したり、剥離したりすることを抑えることが可能となる。

しかも、請求項１に記載のピストンは、低熱伝導率シートを接着剤によりピストン本体に接着するという極めて簡単な方法により製造することができる。

（２）請求項２に記載のピストンは、請求項１に記載のピストンにおいて、前記ピストン本体は前記ピストン頂面に設けられた凹部と該凹部の底面に設けられた突起部とを有し、前記突起部は該突起部の外周側面に設けられた係合凹部を有し、前記弾性接着剤層は前記突起部の頂面に形成された頂面部と前記外周側面に形成された側面部とを有し、前記低熱伝導率シートは前記弾性接着剤層の前記頂面部を覆う頂面被覆部と該弾性接着剤層の前記側面部を覆う側面被覆部とを有する有底筒状を呈していることに特徴がある。

この構成によると、弾性接着剤層の頂面部が低熱伝導率シートの頂面被覆部により覆われるとともに、弾性接着剤層の側面部が低熱伝導率シートの側面被覆部により覆われているため、弾性接着剤層が燃焼室に露出することを良好に抑えることができる。このため、燃焼室の熱により弾性接着剤層が劣化したり、あるいは燃焼室内で燃焼する火炎により弾性接着剤層が燃えて炭化したりすることを良好に抑えることが可能となる。

（３）請求項３に記載のピストンは、請求項２に記載のピストンにおいて、前記弾性接着剤層が前記係合凹部と係合する係合凸部を有していることに特徴がある。

この構成によると、弾性接着剤層の係合凸部と突起部の係合凹部との機械的な係合により、ピストン本体から弾性接着剤層が剥離することを良好に抑えることが可能となる。

（４）請求項４に記載のピストンは、請求項２〜３のいずれか一つに記載のピストンにおいて、前記低熱伝導率シートが、前記側面被覆部から内方に折り曲げられて前記係合凹部と係合する曲折係合部を有していることに特徴がある。

この構成によると、低熱伝導率シートの曲折係合部とピストン本体の突起部の係合凹部とが機械的に係合するので、この機械的係合力によりピストン本体から低熱伝導率シートが剥離することを良好に抑えることができる。

また、ピストン本体の凹部の底面に低熱伝導率シートを弾性接着剤層により接着した後、低熱伝導率シートの曲折係合部となる部分をかしめ等により内方に折り曲げて係合凹部と係合させるという簡単な手法により、ピストン本体と低熱伝導率シートとを機械的に係合させることができる。

（５）請求項５記載のピストンは、請求項２〜４のいずれか一つに記載のピストンにおいて、前記ピストン本体と前記低熱伝導率シートとの間に前記弾性接着剤層が介在して該ピストン本体と該低熱伝導率シートとが離れていることに特徴がある。

この構成によると、ピストン本体と前記低熱伝導率シートとの間に介在する弾性接着剤層の存在により、ピストン本体と低熱伝導率シートとが離れており、両者が非接触状態にある。このため、例えばエンジンの始動時に低熱伝導率シートからピストン本体への熱伝導を防止することができ、その結果低熱伝導率シートを速やかに昇温させることが可能となる。

（６）請求項６に記載のピストンは、請求項１に記載のピストンにおいて、前記ピストン本体が前記ピストン頂面に設けられた凹部を有し、前記弾性接着剤層が前記凹部の底面に形成され、かつ前記ピストン本体及び前記低熱伝導率シートのうちの一方が他方に係合する係合部を有していることに特徴がある。

この構成によると、ピストン本体及び低熱伝導率シートのうちの一方に設けられた係合部が他方と機械的に係合するので、この機械的係合力によりピストン本体から低熱伝導率シートが剥離することを良好に抑えることができる。

（７）請求項７に記載のピストンは、請求項６に記載のピストンにおいて、前記係合部がかしめ加工により形成されたかしめ部よりなることに特徴がある。

この構成によると、ピストン本体の凹部の底面に低熱伝導率シートを弾性接着剤層により接着した後、ピストン本体及び低熱伝導率シートのうちの一方をかしめ加工して他方と係合するかしめ部を該一方に形成するという簡単な手法により、ピストン本体と低熱伝導率シートとを機械的に係合させることができる。

（８）請求項８に記載のピストンは、請求項６に記載のピストンにおいて、前記ピストン本体が前記凹部の内周側面に設けられた係合凹部を有し、かつ前記低熱伝導率シートが、外周端から外方に突出して前記係合凹部と係合する突出係合部を有していることに特徴がある。

この構成によると、ピストン本体の凹部の底面に低熱伝導率シートを弾性接着剤層により接着させる際に、低熱伝導率シートの突出係合部をピストン本体の係合凹部に係合させるという簡単な手法により、ピストン本体と低熱伝導率シートとを機械的に係合させることができる。

（９）請求項９に記載のピストンは、請求項１〜８のいずれか一つに記載のピストンにおいて、前記ピストン本体又は前記低熱伝導率シートが前記弾性接着剤層との間に空洞部を形成する空洞用凹部を有していることに特徴がある。

この構成によると、ピストン本体又は前記低熱伝導率シートが前記弾性接着剤層との間に形成された空洞部が空気断熱層として機能する。このため、エンジンの始動時や低負荷時に、ピストン頂面のうち低熱伝導率シートの部分をより速やかに昇温させることができる。

（１０）請求項１０に記載のピストンは、請求項１〜９のいずれ一つに記載のピストンにおいて、前記低熱伝導率シートがチタン、チタン系合金又はステンレス鋼（ＳＵＳ）よりなることに特徴がある。

（１１）請求項１１に記載のピストンは、請求項１〜１０のいずれか一つに記載のピストンにおいて、前記弾性接着剤層の熱伝導率が前記低熱伝導率シートの熱伝導率よりも低いことに特徴がある。

（１２）請求項１２に記載のピストンは、請求項１１に記載のピストンにおいて、前記弾性接着剤層がポリイミド若しくはその変性体又はポリベンゾイミダゾール若しくはその変性体よりなることに特徴がある。

（１３）請求項１３に記載のピストンは、請求項１〜１２のいずれか一つに記載のピストンにおいて、前記低熱伝導率シートの厚さが０．１〜０．５ｍｍであることに特徴がある。

（１４）請求項１４に記載のピストンは、請求項１〜１３のいずれか一つに記載のピストンにおいて、前記弾性接着剤層の厚さが０．０１〜１．０ｍｍであることに特徴がある。

（１５）請求項１５に記載のピストンの製造方法は、燃焼室に面するピストン頂面を有するピストン本体と、該ピストン頂面に形成された耐熱樹脂よりなる弾性接着剤層と、該弾性接着剤層上に形成され、前記ピストン本体よりも低い熱伝導率を有し、該熱伝導率が５〜４０Ｗ／ｍ・Ｋの低熱伝導率シートと、を備えるピストンを製造する方法であって、前記ピストン本体に有機溶剤を含む弾性接着剤を塗布する塗布工程と、前記弾性接着剤を所定温度に加熱して前記有機溶剤を蒸発させるプリベイク工程と、プリベイクした前記弾性接着剤の上に前記低熱伝導率シートを配置する配置工程と、プリベイクした前記弾性接着剤を加熱して該弾性接着剤を重合、硬化させて前記弾性接着剤層を形成し、該弾性接着剤層により前記ピストン本体と前記低熱伝導率シートとを接合する接合工程とを備えることを特徴とする。

このピストンの製造方法によると、弾性接着剤の塗布、弾性接着剤のプリベイク、低熱伝導率シートの配置及び弾性接着剤の加熱、硬化という極めて簡単な手法により請求項１に記載のピストンを製造することができる。

したがって、本発明のピストンによれば、ピストン本体と低熱伝導率シートとの熱膨張率の違いにより、低熱伝導率シートが破壊したり、剥離したりすることを抑えることが可能となる。また、本発明のピストンは、低熱伝導率シートを接着剤により貼着し、必要に応じてかしめ加工等をするという極めて簡単な方法により製造することができる。

さらに、ピストン本体と低熱伝導率シートとを機械的に係合させた場合は、ピストン本体に対する低熱伝導率シートの接合性についての信頼性が向上する。

以下、本発明の実施形態例について、図面を参照しつつ具体的に説明する。
（実施形態１）
図１の断面図に示される実施形態１の内燃機関用のピストン１は、エンジンのシリンダ（図示せず）内に往復動可能に配設されて用いられるものであり、シリンダとピストン頂面１ａとにより区画形成される燃焼室２内に燃料を直接噴射する直噴式エンジンに用いられるものである。

このピストン１は、燃焼室２に面するピストン頂面１ａを有するピストン本体１０と、ピストン頂面１ａに形成された弾性接着剤層１１と、この弾性接着剤層１１上に形成された薄板状の低熱伝導率シート１２とを備えている。

ピストン本体１０は、アルミニウム合金よりなり、鋳造により所定形状に形成されたものである。このピストン本体１０のピストン頂面１ａの中央部には、凹状に窪んだ凹部１０ａが設けられている。そして、この凹部１０ａ内に弾性接着剤層１１及び低熱伝導率シート１２が配設されている。

ピストン本体１０の凹部１０ａは、低熱伝導率シート１２の外形状に略対応する底面形状を有している。凹部１０ａの形状は、弾性接着剤層１１及び低熱伝導率シート１２を凹部１０ａの底面に配設させることのできる形状であれば特に限定されない。実施形態１では、低熱伝導率シート１２は薄い円板状の金属シートよりなり、凹部１０ａの底面形状も低熱伝導率シート１２の円形と略同等の直径を有する円形とされている。また、凹部１０ａの深さの値は、弾性接着剤層１１及び低熱伝導率シート１２の合計厚さの値よりも大きくされている。

そして、凹部１０ａの底面全体に形成された弾性接着剤層１１により、低熱伝導率シート１２が凹部１０ａの底面に接着されている。また、凹部１０ａの開口周縁端には、求心方向に突出する環状突部１０ｂが設けられている。環状突部１０ｂは、低熱伝導率シート１２の外周縁部の表面（図１に示す低熱伝導率シート１２の上面）に当接して係合している。この係合部として機能する環状突部１０ｂは、かしめ加工により形成されたかしめ部よりなる。すなわち、環状突部１０ｂは、凹部１０ａの底面に低熱伝導率シート１２を弾性接着剤層１１により接着した後に、凹部１０ａの開口周縁端の全周を求心方向にかしめて塑性変形させることにより形成されたものである。なお、凹部１０ａの開口周縁端の複数箇所を周方向に間隔をおいてかしめることにより、環状突部１０ｂの代わりに、複数個の突部を形成してもよい。

ピストン頂面１ａ等のピストン本体１０の形状は特に限定されず適宜設定可能である。また、ピストン本体１０の材質もアルミニウム合金に限られない。

弾性接着剤層１１は耐熱性樹脂よりなる。弾性接着剤層１１を構成する耐熱性樹脂としては、ピストン１の作動中に溶融又は分解せずに所定の接着力及び弾性力を発揮するものであれば特に限定されない。すなわち、ピストン１の作動中に所定の接着力を発揮することで、低熱伝導率シート１２を凹部１０ａの底面に確実に接着させることができ、かつ、ピストン１の作動中に所定の弾性力を発揮することで、ピストン本体１０と低熱伝導率シート１２との熱膨張率の違いによる両者の相対的な熱変形を吸収しうるような耐熱性樹脂を弾性接着剤層１１に用いることができる。

また、弾性接着剤層１１の厚さは０．０１〜１．０ｍｍであることが好ましく、０．３〜０．７ｍｍであることがより好ましい。弾性接着剤層１１が薄すぎると、ピストン本体１０と低熱伝導率シート１２との熱膨張率の違いによる両者の相対的な熱変形を有効に吸収し得ない。一方、弾性接着剤層１１が厚すぎると、弾性接着剤層１１が割れ易くなる。

弾性接着剤層１１を構成する耐熱性樹脂として、具体的には、合成樹脂の中でも特に優れた耐熱性を有するポリイミド又はその変性体を好適に用いることができる。ポリイミド又はその変性体は熱可塑性のものでも熱硬化性のものでもかまわないが、必要な耐熱性を確保する上では、熱硬化性のものが好ましい。弾性接着剤層１１を構成する耐熱性樹脂として他の好ましい例としては、ポリベンゾイミダゾール（ＰＢＩ）又はその変性体を挙げることができる。

弾性接着剤層１１の熱伝導率は低熱伝導率シート１２の熱伝導率よりも低いことが好ましい。具体的には、弾性接着剤層１１の熱伝導率は５Ｗ／ｍ・Ｋ以下であることが好ましく、１Ｗ／ｍ・Ｋ以下であることがより好ましい。弾性接着剤層１１の熱伝導率が高すぎると、例えばエンジンの始動時に弾性接着剤層１１を介して低熱伝導率シート１２からピストン本体１０へ熱が移動し易くなり、ピストン頂面１ａの速やかな昇温を妨げる。

低熱伝導率シート１２は、ピストン本体１０を構成する材料よりも熱伝導率が低く、かつ、ピストン１の作動中に溶融又は分解しない材料よりなる。熱伝導率シート１２の熱伝導率は５〜４０Ｗ／ｍ・Ｋである。熱伝導率シート１２の熱伝導率が５Ｗ／ｍ・Ｋ未満になると、エンジンの高負荷時に、熱伝導率シート１２が放熱しにくく、オイル劣化やノッキング現象が起こりやすくなる。一方、熱伝導率シート１２の熱伝導率は４０Ｗ／ｍ・Ｋを超えると、熱伝導率シート１２が放熱しやすく、未燃焼ガスが発生しやすくなる。

低熱伝導率シート１２を構成する材料としては、例えば金属であってもセラミックスであってもよいが、軽量化や高靭性化等を図る観点より、チタン、チタン系合金又はステンレス鋼（ＳＵＳ）等の金属が好ましい。また、金属の中でも、特にチタン又はチタン系合金は熱伝導率が低く、また比重も小さいので好ましい。

低熱伝導率シート１２の厚さは０．１〜０．５ｍｍであることが好ましい。低熱伝導率シート１２が薄すぎると、断熱層としての機能を有効に発揮し得ない。一方、低熱伝導率シート１２が厚すぎると、ピストン自体の高さが高くなるとともに重量が重くなり、燃費への悪影響が出てくる。

ここに、実施形態１のピストン１では、低熱伝導率シート１２が厚さ０．３ｍｍのチタンシートよりなり、この低熱伝導率シート１２の熱伝導率は２１．９Ｗ／ｍ・Ｋである。また、弾性接着剤層１１は熱硬化性のポリイミドよりなる。そして、この弾性接着剤層１１の厚さは０．０５ｍｍで、弾性接着剤層１１の熱伝導率は０．２Ｗ／ｍ・Ｋである。

上記構成を有する実施形態１のピストン１は、例えば以下のようにして製造することができる。

すなわち、図２に示されるように、まず鋳造により所定形状を有するピストン本体１０を形成する（図２（ａ）参照）。そして、ピストン頂面１ａに設けられた凹部１０ａの底面にポリイミド前駆体としての液体モノマー１１ａを所定厚さで塗布してから（図２（ｂ）参照）、１５０℃以上の温度でプリベイクして有機溶剤を蒸発させた後、その上に所定形状の低熱伝導率シート１２を配置する。そして、２００℃以上の高温に加熱することで、ポリイミド前駆体としての液体モノマー１１ａを重合、硬化させて弾性接着剤層１１とする。これにより、弾性接着剤層１１により、低熱伝導率シート１２を凹部１０ａの底面に接着させる（図２（ｃ）参照）。最後に、凹部１０ａの開口周縁端をかしめ加工して、環状突部１０ｂを形成する（図２（ｄ）参照）。

実施形態１のピストン１では、燃焼室２に面するピストン頂面１ａに配設された低熱伝導率シート１２及び弾性接着剤層１１が断熱層として機能する。このため、ピストン温度が低いエンジンの始動時や低負荷時に、ピストン頂面１ａのうち低熱伝導率シート１２の部分を速やかに昇温させることができ、燃焼室２内の燃料が未燃焼ガスになることを防止することができる。したがって、ＨＣエミッションや燃費の悪化を防ぐことが可能となる。

一方、ピストン温度が高くなるエンジンの高負荷時においては、低熱伝導率シート１２が適度に放熱するため、低熱伝導率シート１２の温度が過度に高くならない。したがって、エンジンオイルの劣化やノッキングの発生を抑えることが可能となる。

そして、実施形態１のピストン１では、低熱伝導率シート１２とピストン本体１０との間に弾性接着剤層１１が介在している。この弾性接着剤層１１は、弾性変形することにより、低熱伝導率シート１２及びピストン本体１０の相対的な熱変形を吸収する。このため、熱膨張率の違いによりピストン本体１０に対して低熱伝導率シート１２が相対的に変形したとしても、低熱伝導率シート１２が破壊したり、剥離したりすることを抑えることが可能となる。

しかも、実施形態１のピストン１は、低熱伝導率シート１２を接着剤により接着するという極めて簡単な方法により製造することができる。

また、実施形態１のピストン１では、断熱層として機能する低熱伝導率シート１２がチタンシートよりなるため、例えば塗膜により断熱層を形成する場合と比較して、低熱伝導率シート１２の耐久性を確保するのに有利となり、また低熱伝導率シート１２において均一厚さを確保するのも容易となる。さらに、チタンは金属の中でも特に熱伝導率が低く、また比重も小さい。このため、低熱伝導率シート１２が断熱効果を有効に発揮する。また、低熱伝導率シート１２をピストン頂面１ａに配設することによるピストン１の重量増加を抑えることができる。

さらに、実施形態１のピストン１では、弾性接着剤層１１の熱伝導率が低熱伝導率シート１２の熱伝導率よりもかなり低くされている。このため、弾性接着剤層１１における断熱効果は、低熱伝導率シート１２の断熱効果よりもかなり大きい。このように断熱効果が大きい弾性接着剤層１１が低熱伝導率シート１２とピストン本体１０との間に介在すると、低熱伝導率シート１２からピストン本体１０への熱移動を弾性接着剤層１１により効果的に防止することができる。したがって、エンジンの始動時に、低熱伝導率シート１２をより速やかに昇温させることができ、未燃焼ガスの発生をより効果的に防止することが可能となる。

加えて、実施形態１のピストン１では、ピストン本体１０の環状突部１０ｂが低熱伝導率シート１２の外周縁部に機械的に係合しているので、この機械的係合力によりピストン本体１０から低熱伝導率シート１２が剥離することを良好に抑えることができる。

また、実施形態１のピストン１では、弾性接着剤層１１が低熱伝導率シート１２により完全に覆われているため、弾性接着剤層１１が燃焼室の熱により劣化することを良好に抑えることができ、また燃焼室２内で燃焼する火炎が接触することで弾性接着剤層１１が燃えて炭化することを確実に防止することができる。

（実施形態２）
図３及び図４に示される実施形態２のピストン１は、前記実施形態１のピストン１において、係合部として、かしめ部よりなる環状突部１０ｂをピストン本体１０に形成する代わりに、突出係合部１２１を低熱伝導率シート１２に設け、かつピストン本体１０の凹部１０ａに突出係合部１２１と係合可能な係合凹部１０１を形成したものである。

すなわち、実施形態２のピストン１では、ピストン本体１０の凹部１０ａの内周側面に環状の係合凹部１０１が設けられている。なお、この係合凹部１０１は、低熱伝導率シート１２の突出係合部１２１と係合しうるように設定されていれば環状である必要はない。

また、実施形態２のピストン１では、低熱伝導率シート１２が、低熱伝導率シート１２の外周端から遠心方向に突出する４個の突出係合部１２１を有している。４個の突出係合部１２１は、低熱伝導率シート１２の周方向において等間隔に配設されている。

ここに、実施形態２のピストン１では、低熱伝導率シート１２のうち４個の突出係合部１２１のみがピストン本体１０と接触し、かつ低熱伝導率シート１２が弾性接着剤層１１を完全に覆うように、凹部１０ａ、弾性接着剤層１１及び低熱伝導率シート１２の形状や大きさが設定されている。

その他の構成は、前記実施形態１と同様である。

上記構成を有する実施形態２のピストン１は、例えば以下のようにして製造することができる。

すなわち、鋳造により所定形状に形成されたピストン本体１０の凹部１０ａの底面全体にポリイミド前駆体としての液体モノマーを所定厚さで塗布してから、１５０℃以上の温度でプリベイクして有機溶剤を蒸発させた後、その上に所定形状の低熱伝導率シート１２を配置する。このとき、低熱伝導率シート１２の突出係合部１２１をピストン本体１０の係合凹部１０１に係合させる。そして、２００℃以上の高温に加熱することで、ポリイミド前駆体としての液体モノマーを重合、硬化させて弾性接着剤層１１とする。

したがって、実施形態２のピストン１では、ピストン本体１０の凹部１０ａの底面に低熱伝導率シート１２を弾性接着剤層１１により接着させる際に、低熱伝導率シート１２の突出係合部１２１をピストン本体１０の係合凹部１０１に係合させるという簡単な手法により、ピストン本体１０と低熱伝導率シート１２とを機械的に係合させることができる。

また、実施形態２のピストン１では、低熱伝導率シート１２のうち４個の突出係合部１２１のみがピストン本体１０と接触しているので、例えばエンジンの始動時に低熱伝導率シート１２からピストン本体１０への熱伝導を良好に抑えることができ、その結果低熱伝導率シート１２を速やかに昇温させることが可能となる。

その他の作用効果は、前記実施形態１と同様である。

（実施形態３）
図５及び図６に示される実施形態３のピストン１は、前記実施形態１のピストン１において、ピストン本体１０の凹部１０ａの底面形状や弾性接着剤層１１及び低熱伝導率シート１２の形状を変更したものである。

すなわち、実施形態３のピストン１では、凹部１０ａの底面に突起部３が設けられている。突起部３は、Ｔ字状の断面形状を有し、凹部１０ａの底面に一体に立設された円柱状首部３１と、円柱状首部３１の先端に連設された円盤状頭部３２とからなる。円柱状首部３１の外径は円盤状頭部３２の外径よりも小さく設定されており、これにより突起部３の外周側面に環状の係合凹部３ａが設けられている。

また、実施形態３のピストン１では、弾性接着剤層１１が、突起部３の頂面（円盤状頭部３２の頂面）に形成された頂面部１１１と、環状の係合凹部３ａを含む突起部３の外周側面（円柱状首部３１の外周側面及び円盤状頭部３２の外周側面）に形成された側面部１１２とを有している。側面部１１２は、円柱状首部３１の外周側面、すなわち突起部３の係合凹部３ａ内に形成された第１側面部１１２ａと、円盤状頭部３２の外周側面に形成された第２側面部１１２ｂとからなる。側面部１１２の第１側面部１１２ａは、突起部３の環状の係合凹部３ａと係合する環状の係合凸部を構成する。また、突起部３の外表面全体に弾性接着剤層１１が形成されており、突起部３の全体が弾性接着剤層１１により包囲されている。

さらに、実施形態３のピストン１では、低熱伝導率シート１２が、弾性接着剤層１１の頂面部１１１を覆う頂面被覆部１２２と、弾性接着剤層１１の側面部１１２を覆う側面被覆部１２３とを有する有底筒状を呈している。なお、低熱伝導率シート１２の側面被覆部１２３は、弾性接着剤層１１の側面部１１２のうち第１側面部１１２ａの大部分と第２側面部１１２ｂの全体とを覆っている。すなわち、低熱伝導率シート１２の側面被覆部１２３は、弾性接着剤層１１の側面部１１２の全体を覆っておらず、低熱伝導率シート１２の側面被覆部１２３の先端（有底筒状の開口端）と凹部１０ａの底面との間には間隙がある。したがって、低熱伝導率シート１２とピストン本体１０とは離れており接触していない。

その他の構成は、前記実施形態１と同様である。

上記構成を有する実施形態３のピストン１は、例えば以下のようにして製造することができる。

すなわち、鋳造により所定形状に形成されたピストン本体１０の凹部１０ａの底面の所定部及び突起部３の外表面全体にポリイミド前駆体としての液体モノマーを所定厚さで塗布してから、１５０℃以上の温度でプリベイクして有機溶剤を蒸発させた後、その上に所定形状の低熱伝導率シート１２を被せる。そして、２００℃以上の高温に加熱することで、ポリイミド前駆体としての液体モノマーを重合、硬化させて弾性接着剤層１１とする。

実施形態３のピストン１では、ピストン本体１０の凹部１０ａに設けられた突起部３の係合凹部３ａ内に弾性接着剤層１１の側面部１１２の第１側面部（係合凸部）１１２ａが形成されているので、突起部３の係合凹部３ａと弾性接着剤層１１の第１側面部（係合凸部）１１２ａとが機械的に係合している。したがって、ピストン本体１０から弾性接着剤層１１が剥離することを良好に抑えることができる。

また、実施形態３のピストン１では、弾性接着剤層１１の頂面部１１１が低熱伝導率シート１２の頂面被覆部１２２により完全に覆われるとともに、弾性接着剤層１１の側面部１１２のほぼ全体が低熱伝導率シート１２の側面被覆部１２３により覆われているため、弾性接着剤層１１が燃焼室２に露出することを良好に抑えることができる。このため、燃焼室２の熱により弾性接着剤層１１が劣化したり、あるいは燃焼室２内で燃焼する火炎により弾性接着剤層１１が燃えて炭化したりすることを良好に抑えることが可能となる。

さらに、実施形態３のピストン１では、低熱伝導率シート１２とピストン本体１０とが離れており接触していないので、例えばエンジンの始動時に低熱伝導率シート１２から直接ピストン本体１０に熱伝導することがなく、その結果低熱伝導率シート１２をより速やかに昇温させることが可能となる。

その他の作用効果は前記実施形態１と同様である。

（実施形態４）
図７及び図８に示される実施形態４のピストン１は、前記実施形態３のピストン１において、弾性接着剤層１１及び低熱伝導率シート１２の形状を変更したものである。

すなわち、実施形態４のピストン１では、弾性接着剤層１１の側面部１１２の第１側面部（係合凸部）１１２ａが、円柱状首部３１の外周側面の一部、すなわち突起部３の係合凹部３ａ内の一部に形成されている。具体的には、円柱状首部３１の外周側面のうち円盤状頭部３２側の外周側面のみに弾性接着剤層１１の側面部１１２の第１側面部（係合凸部）１１２ａが形成されている。このため、突起部３の係合凹部３ａ内のうち凹部１０ａの底面側には弾性接着剤層１１の側面部１１２の第１側面部（係合凸部）１１２ａが形成されておらず、第１側面部（係合凸部）１１２ａと凹部１０ａの底面との間には隙間が形成されている。

また、実施形態４のピストン１では、低熱伝導率シート１２が、側面被覆部１２３の先端（有底筒状の開口端）から内方に折り曲げられて係合凹部３ａと係合する４個の曲折係合部１２３ａを有している。曲折係合部１２３ａは弾性接着剤層１１の第１側面部（係合凸部）１１２ａを介在させて係合凹部３ａと係合している。４個の曲折係合部１２３ａは、低熱伝導率シート１２の周方向において等間隔に配設されている。なお、低熱伝導率シート１２の側面被覆部１２３は、側面部１１２の外周側面の全体を覆っているが、弾性接着剤層１１の第１側面部（係合凸部）１１２ａの下面（第１側面部１１２ａのうち凹部１０ａの底面側の面）は、４個の曲折係合部１２３ａのみによって部分的に覆われている。また、低熱伝導率シート１２の側面被覆部１２３の先端（有底筒状の開口端）や曲折係合部１２３ａと凹部１０ａの底面との間には間隙があり、低熱伝導率シート１２とピストン本体１０とは接触していない。

その他の構成は、前記実施形態３と同様である。

上記構成を有する実施形態４のピストン１は、例えば以下のようにして製造することができる。

すなわち、鋳造により所定形状に形成されたピストン本体１０の凹部１０ａに設けられた突起部３の所定箇所にポリイミド前駆体としての液体モノマーを所定厚さで塗布してから、１５０℃以上の温度でプリベイクして有機溶剤を蒸発させる。そして、図８に示されるように、かしめによる折り曲げ加工により４個の曲折係合部１２３ａとなる４個の小片部１２３ｂが側面被覆部１２２の先端（有底筒状の開口端）から直状に伸びて設けられた所定形状の低熱伝導率シート１２を突起部３の上に被せる。そして、２００℃以上の高温に加熱することで、ポリイミド前駆体としての液体モノマーを重合、硬化させて弾性接着剤層１１とする。最後に、低熱伝導率シート１の４個の小片部１２３ｂをかしめにより内方に折り曲げ加工してかしめ部よりなる曲折係合部１２３ａとして、突起部３の係合凹部３ａに係合させる。

実施形態４のピストン１では、低熱伝導率シート１２の４個の曲折係合部１２３ａとピストン本体１０の突起部３の係合凹部３ａとが機械的に係合するので、この機械的係合力によりピストン本体１０から低熱伝導率シート１２が剥離することを良好に抑えることができる。

また、実施形態４のピストン１では、ピストン本体１０の凹部１０ａの突起部３に低熱伝導率シート１２を弾性接着剤層１１により接着した後、低熱伝導率シート１２の曲折係合部１２３ａとなる部分（小片部１２３ｂ）をかしめにより内方に折り曲げて突起部３の係合凹部３ａと係合させるという簡単な手法により、ピストン本体１０と低熱伝導率シート１２とを機械的に係合させることができる。

その他の作用効果は前記実施形態３と同様である。

（実施形態５）
図９に示される実施形態５のピストン１は、前記実施形態４のピストン１において、弾性接着剤層１１の形状を変更したものである。

すなわち、実施形態５のピストン１では、円柱状首部３１の外周側面（突起部３の係合凹部３ａ内）には弾性接着剤層１１が形成されておらず、弾性接着剤層１１の側面部１１２は突起部３の円盤状頭部３２の外周側面に形成された第２側面部１１２ｂのみからなる。 また、実施形態５のピストン１では、低熱伝導率シート１２の４個の曲折係合部１２３ａが、突起部３の円盤状頭部３２の下面（凹部１０の底面側の面）に当接している。すなわち、低熱伝導率シート１２の４個の曲折係合部１２３ａは、弾性接着剤層１１を介在させることなく直接、突起部３の係合凹部３ａに係合している。

その他の構成は、前記実施形態４と同様である。

したがって、実施形態５のピストン１では、低熱伝導率シート１２のうち４個の曲折係合部１２３ａのみがピストン本体１０の突起部３と接触しているので、例えばエンジンの始動時に低熱伝導率シート１２からピストン本体１０への熱伝導を良好に抑えることができ、その結果低熱伝導率シート１２を速やかに昇温させることが可能となる。

なお、実施形態５のピストン１では、低熱伝導率シート１２の曲折係合部１２３ａとピストン本体１０の突起部３とが接触しているので、この接触部を介して低熱伝導率シート１２からピストン本体１０に熱伝導する。

その他の作用効果は前記実施形態４と同様である。

（実施形態６）
図１０に示される実施形態６のピストン１は、前記実施形態１のピストン１において、凹部１０ａ及び低熱伝導率シート１２の形状を変更したものである。

すなわち、実施形態６のピストン１では、ピストン本体１０の凹部１０ａの底面に凹段部１０ｃが設けられている。凹段部１０ｃは、低熱伝導率シート１２の外形状に対応する底面形状を有する。そして、凹段部１０ｃの底面に弾性接着剤層１１により低熱伝導率シート１２が接着されている。

また、低熱伝導率シート１２の下面には複数の空洞用凹部１２ａが形成されている。これにより、低熱伝導率シート１２と弾性接着剤層１１との間に複数の空洞部４が形成されている。

その他の構成は、前記実施形態１と同様である。

したがって、実施形態６のピストン１では、低熱伝導率シート１２と弾性接着剤層１１との間に形成された複数の空洞部４が空気断熱層として機能する。このため、エンジンの始動時や低負荷時に、低熱伝導率シート１２をより速やかに昇温させることができ、未燃焼ガスの発生をより効果的に防止することが可能となる。

また、実施形態６のピストン１では、実施形態１のピストン１と比べて、複数の空洞部４の合計投影面積分だけ、低熱伝導率シート１２と弾性接着剤層１１との接触面積が減少する。このため、低熱伝導率シート１２をより速やかに昇温させる効果を助長することができ、未燃焼ガスの発生をより効果的に防止することが可能となる。

その他の作用効果は前記実施形態１と同様である。

（実施形態７）
図１１に示される実施形態７のピストン１は、前記実施形態５のピストン１において、突起部３の形状を変更したものである。

すなわち、実施形態７のピストン１では、ピストン本体１０の突起部３の頂面に複数の空洞用凹部１０ｄが形成されている。これにより、ピストン本体１０と弾性接着剤層１１との間に複数の空洞部４が形成されている。

その他の構成は、前記実施形態５と同様である。

したがって、実施形態７のピストン１では、ピストン本体１０と弾性接着剤層１１との間に形成された複数の空洞部４が空気断熱層として機能する。このため、エンジンの始動時や低負荷時に、低熱伝導率シート１２をより速やかに昇温させることができ、未燃焼ガスの発生をより効果的に防止することが可能となる。

また、実施形態７のピストン１では、実施形態５のピストン１と比べて、複数の空洞部４の合計投影面積分だけ、ピストン本体１０と低熱伝導率シート１２との接触面積が減少する。このため、低熱伝導率シート１２をより速やかに昇温させる効果を助長することができ、未燃焼ガスの発生をより効果的に防止することが可能となる。

その他の作用効果は前記実施形態１と同様である。

（その他の実施形態）
前述した実施形態１〜７において、弾性接着剤層１１内に気泡や微小な中空ガラス体を混入させることもできる。これにより、弾性接着剤層１１における断熱効果をより増大させることができる。したがって、例えばエンジンの始動時に低熱伝導率シート１２をより速やかに昇温させることが可能となる。

実施形態１に係るピストンの構成を示す断面図である。 実施形態１に係るピストンの製造工程を説明する断面図であって、（ａ）は鋳造により形成したピストン本体を示し、（ｂ）はピストン本体の凹部にポリイミド前駆体としての液体モノマーを塗布した状態を示し、（ｃ）はポリイミド前駆体としての液体モノマー１１ａを加熱、硬化させて弾性接着剤層により、チタンシートよりなる低熱伝導率シートを凹部に接着させた状態を示し、（ｄ）は凹部の開口周縁端をかしめ加工して、環状突部を形成した状態を示す。 実施形態２に係るピストンの構成を示す断面図である。 実施形態２に係るピストンにおける低熱伝導率シートを示す斜視図である。 実施形態３に係るピストンの構成を示す断面図である。 実施形態３に係るピストンの製造工程を説明する断面図であって、（ａ）は鋳造により形成したピストン本体を示し、（ｂ）はピストン本体の凹部の突起部にポリイミド前駆体としての液体モノマーを塗布した後であって、低熱伝導率シートを突起部に被せる前の状態を示す。 実施形態４に係るピストンの構成を示す断面図である。 実施形態４に係るピストンにおける低熱伝導率シートであって、曲折係合部を折り曲げる前の状態を示す斜視図である。 実施形態５に係るピストンの構成を示す断面図である。 実施形態６に係るピストンの構成を示す断面図である。 実施形態７に係るピストンの構成を示す断面図である。

符号の説明

１…ピストン １ａ…頂面
２…燃焼室 １０…ピストン本体
１１…弾性接着剤層 １２…低熱伝導率シート
１０ａ…凹部 ３…突起部
３ａ…係合凹部 １１１…頂面部
１１２…側面部 １１２ａ…第１側面部（係合凸部）
１２１…突出係合部 １２２…頂面被覆部
１２３…側面被覆部 １２３ａ…曲折係合部
４…空洞部 １０ｄ、１２ａ…空洞用凹部

Claims (15)

1. 燃焼室に面するピストン頂面を有するピストン本体と、
   前記ピストン頂面に形成された耐熱樹脂よりなる弾性接着剤層と、
   前記弾性接着剤層上に形成され、前記ピストン本体よりも低い熱伝導率を有し、該熱伝導率が５〜４０Ｗ／ｍ・Ｋの低熱伝導率シートと、を備えていることを特徴とするピストン。
2. 前記ピストン本体は前記ピストン頂面に設けられた凹部と該凹部の底面に設けられた突起部とを有し、
   前記突起部は該突起部の外周側面に設けられた係合凹部を有し、
   前記弾性接着剤層は前記突起部の頂面に形成された頂面部と前記外周側面に形成された側面部とを有し、
   前記低熱伝導率シートは前記弾性接着剤層の前記頂面部を覆う頂面被覆部と該弾性接着剤層の前記側面部を覆う側面被覆部とを有する有底筒状を呈している請求項１に記載のピストン。
3. 前記弾性接着剤層は前記係合凹部と係合する係合凸部を有している請求項２に記載のピストン。
4. 前記低熱伝導率シートは、前記側面被覆部の先端から内方に折り曲げられて前記係合凹部と係合する曲折係合部を有している請求項２〜３のいずれか一つに記載のピストン。
5. 前記ピストン本体と前記低熱伝導率シートとの間には前記弾性接着剤層が介在して該ピストン本体と該低熱伝導率シートとが離れている請求項２〜４のいずれか一つに記載のピストン。
6. 前記ピストン本体は前記ピストン頂面に設けられた凹部を有し、
   前記弾性接着剤層は前記凹部の底面に形成され、
   前記ピストン本体及び前記低熱伝導率シートのうちの一方は他方に係合する係合部を有している請求項１に記載のピストン。
7. 前記係合部はかしめ加工により形成されたかしめ部よりなる請求項６に記載のピストン。
8. 前記ピストン本体は前記凹部の内周側面に設けられた係合凹部を有し、
   前記低熱伝導率シートは、該低熱伝導率シートの外周端から外方に突出して前記係合凹部と係合する突出係合部を有している請求項６に記載のピストン。
9. 前記ピストン本体又は前記低熱伝導率シートは前記弾性接着剤層との間に空洞部を形成する空洞用凹部を有していることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一つに記載のピストン。
10. 前記低熱伝導率シートがチタン、チタン系合金又はステンレス鋼よりなる請求項１〜９のいずれか一つに記載のピストン。
11. 前記弾性接着剤層の熱伝導率は前記低熱伝導率シートの熱伝導率よりも低い請求項１〜１０のいずれか一つに記載のピストン。
12. 前記弾性接着剤層がポリイミド若しくはその変性体又はポリベンゾイミダゾール若しくはその変性体よりなる請求項１１に記載のピストン。
13. 前記低熱伝導率シートの厚さが０．１〜０．５ｍｍである請求項１〜１２のいずれか一つに記載のピストン。
14. 前記弾性接着剤層の厚さが０．０１〜１．０ｍｍである請求項１〜１３のいずれか一つに記載のピストン。
15. 燃焼室に面するピストン頂面を有するピストン本体と、該ピストン頂面に形成された耐熱樹脂よりなる弾性接着剤層と、該弾性接着剤層上に形成され、前記ピストン本体よりも低い熱伝導率を有し、該熱伝導率が５〜４０Ｗ／ｍ・Ｋの低熱伝導率シートと、を備えるピストンを製造する方法であって、
    前記ピストン本体に有機溶剤を含む弾性接着剤を塗布する塗布工程と、
    前記弾性接着剤を所定温度に加熱して前記有機溶剤を蒸発させるプリベイク工程と、
    プリベイクした前記弾性接着剤の上に前記低熱伝導率シートを配置する配置工程と、
    プリベイクした前記弾性接着剤を加熱して該弾性接着剤を重合、硬化させて前記弾性接着剤層を形成し、該弾性接着剤層により前記ピストン本体と前記低熱伝導率シートとを接合する接合工程とを備えることを特徴とするピストンの製造方法。

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