JPH0510556B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は熱機関におけるセラミツクス断熱壁と
金属構造体との間の熱遮蔽を図る、熱機関などの
断熱構造に関するものである。

［従来の技術］ 従来から提案されているセラミツクスを利用し
た断熱内燃機関は、モノリスタイプのチツ化ケイ
素、炭化ケイ素などを主体としたセラミツクス断
熱壁を、ピストン本体、シリンダボデイ、シリン
ダヘツドなどの金属構造体の内面に結合してい
る。セラミツクス断熱壁からの熱放散を抑えるた
めに、セラミツクス断熱壁と金属構造体との間に
空部ないし空気層を介在させる（特願昭58−
151885号）とか、爆発圧力を受けるセラミツクス
断熱壁と金属構造体との間に金属板からなるガス
ケツトを挾む（特開昭58−25552号公報）などの
措置が講じられている。

しかし、上述のような手段では、セラミツクス
断熱壁から金属構造体へ放散される伝熱量を抑え
るには限界がある。燃焼室の壁部の熱伝導率はセ
ラミツクス断熱壁の採用により25分の１程度に減
少し得ても、燃焼室との金属構造体との熱落差が
３倍にも達するために、伝熱量は７分の１程度に
減少するにすぎない。

［発明が解決しようとする問題点］ 本発明の目的は上述の問題に鑑み、セラミツク
ス断熱壁と金属構造体との空部における熱対流を
抑えることにより断熱性を向上する、熱機関など
の断熱構造を提供することにある。

［問題点を解決するための手段］ 上記目的を達成するために、本発明の構成は耐
熱性金属からなる中空リングの内部に低熱伝導率
の粉末を充填して断熱ガスケツトを形成し、金属
構造体とセラミツクス断熱壁との間に前記断熱ガ
スケツトを介装して断熱ガスケツトを貫通するボ
ルトにより結合し、断熱ガスケツトで囲まれた空
部において金属構造体とセラミツクス断熱壁とに
耐熱性金属からなる熱反射板をそれぞれ重ね合
せ、熱反射板相互の間に耐熱性フアイバを充填し
たものである。

［作用］ 耐熱性と断熱性に優れたセラミツクス断熱壁は
金属構造体を熱から保護し、金属構造体への伝熱
を抑える。セラミツクス断熱壁と金属構造体との
間に介装した中空リングは、ボルトの締付荷重を
支持し、かつセラミツクス断熱壁と金属構造体の
間に空部を保持する。

中空リングの内部に充填したチタン酸カリウム
粉末は、中空リングの内部の空気の熱対流を抑え
るだけでなく、ボルトを締め付けても圧縮荷重に
耐え、金属構造体とセラミツクス断熱壁との間隔
を維持する。

セラミツクス断熱壁と金属構造体の間の空部は
熱反射板で覆われ、かつ耐熱性フアイバを充填さ
れるので、セラミツクス断熱壁から金属構造体へ
の熱対流と放射による伝熱を抑える。

［発明の実施例］ 第１図は本発明の原理的な断熱構造を示す。燃
焼ガスに曝されるセラミツクス断熱壁５１は環状
の断熱ガスケツト５５を挾んで金属構造体５２
に、これらを貫通するボルト５３にナツト５４を
締め付けて結合される。断熱ガスケツト５５によ
りセラミツクス断熱壁５１と金属構造体５２との
間に空部Ａが形成される。

本発明によれば、空部Ａにおける熱対流による
セラミツクス断熱壁５１から金属構造体５２への
伝熱を阻止するために、空部Ａは耐熱性フアイバ
例えばセラミツクスフアイバ、ステンレスフアイ
バなどの熱対流防止材５８を充填される。

第２図に示すように、断熱ガスケツト５５はス
テンレスなどの耐熱性金属からなる中空リング５
６の内部に、熱伝導率の小さいチタン酸カリウム
粉末、耐熱性フアイバ（例えばセラミツクスフア
イバ、ステンレスフアイバ）などの熱対流防止材
５７を充填して構成され、ボルト５３を挿通する
通孔に円筒体５６ａを嵌合し、円筒体５６ａの両
端を縁曲げして、中空リング５６の上下両面に結
合される。

特に中空リング５６は内部に、耐熱性フアイバ
よりもチタン酸カリウム粉末を密実に充填するの
が製作や強度の点で好ましく、チタン酸カリウム
粉末は中空リング５６の内部の空気の熱対流を抑
えるだけでなく、ボルト５３を締め付けても圧縮
荷重に耐え、金属構造体５２とセラミツクス断熱
壁５１との間隔を維持する。

第３図に示す実施例では、セラミツクス断熱壁
５１と金属構造体５２は、空部Ａを覆う内面に熱
反射面を備えられる。具体的には、セラミツクス
断熱壁５１と金属構造体５２の各内面に、ステン
レス、アルミニウムなどの耐熱性金属からなる熱
反射板５９，５９ａを重ね合わせる。熱反射板５
９，５９ａを備える代りに、セラミツクス断熱壁
５１の内面にはメタライズ層を形成した後にクロ
ムメツキを施し、金属構造体５２の内面にはクロ
ムメツキを直接施し、それぞれ熱反射面を構成し
てもよい。

本発明は上述のように、空部Ａにセラミツクス
フアイバ、ステンレスフアイバなどの耐熱性フア
イバを充填したことにより、空部Ａにおける熱対
流が阻止されるので、セラミツクス断熱壁５１か
ら金属構造体５２への伝熱量が減じられる。

断熱ガスケツト５５としての中空リング５６
は、熱反射面として役立つステンレス鋼板から形
成されてセラミツクス断熱壁５１と金属構造体５
２の各内面に接し、かつ中空リング５６はチタン
酸カリウム粉末を充填されるから、中空リング５
６の内部における空気の熱対流が阻止され、セラ
ミツクス断熱壁５１から中空リング５６を経て金
属構造体５２への伝熱量が減じされる断熱ガスケ
ツト５５としての中空リング５６は、熱反射面と
して役立つステンレス鋼板から形成されてセラミ
ツクス断熱壁５１と金属構造体５２の各内面に接
し、かつ中空リング５６はチタン酸カリウム粉末
を充填されるから、中空リング５６の内部におけ
る熱対流が阻止され、セラミツクス断熱壁５１か
ら中空リング５６を経て金属構造体５２への伝熱
量が減じられる。。

第４図はセラミツクスを用いた具体的な断熱内
燃機関の正面断面図である。通常の金属からなる
シリンダヘツド１に円筒部１ａが形成され、円筒
部１ａの内部にセラミツクスからなるカツプ形の
ヘツドライナ３が上下１対の位置決めリング９を
介して嵌合され、かつシリンダヘツド１の下面１
ｂとヘツドライナ３との間に、リング２６と、燃
料噴射ノズル５と吸・排気ポート１１をそれぞれ
取り囲むリング１０，１６とが介装される。吸・
排気ポート１１はセラミツクスをコーテイングさ
れた吸・排気弁７により開閉される。燃焼室はセ
ラミツクスからなるカツプ形のヘツドライナ３と
セラミツクスからなるピストン冠部８とにより区
画され、燃焼室の主要部から離れた部分でヘツド
ライナ３が、セラミツクスからなるシリンダライ
ナ４と突き合される。

実際には、ヘツドライナ３とシンリダライナ４
との熱膨張差による応力を回避するために、両者
の間に極めて僅かな隙間を備え、ヘツドライナ３
の下端面とシリンダボデイ２の上端面との間にガ
スケツト２２を介装し、シリンダヘツド１から図
示してないボルトをシリンダボデイ２へ螺合して
締結される。シリンダライナ４はシリンダボデイ
２の円筒部２０に嵌合される。

ピストン１９はセラミツクスからなるピストン
冠部８を、普通の金属からなるスカート部６に重
ね合せ、上から挿通したボルト３１にナツト３３
を締め付けて構成される。ピストン冠部８は上面
に燃料と空気の混合を促す窪み３９を設けられ、
下面中央に円筒部３４を、下面周縁に段部をそれ
ぞれ設けられる。スカート部６は外周面にピスト
ンリング４１を装着され、上面周縁部に設けた突
条２４を、前述のピストン冠部８の段部に嵌合さ
れる。また、スカート部６は上面中央に形成した
柱３５に、ガスケツト２７を介してピストン冠部
８を重ね合され、柱３５と円筒部３４との間に空
部Ｄを形成される。ピストン冠部８とスカート部
６との周縁部の重合せ面は、リング２８を介装さ
れる。

このようにして、シリンダヘツド１の円筒部１
ａの内周面とヘツドライナ３の外周面との間に、
上下１対の位置決めリング９により密閉された空
部Ｃが形成され、シリンダヘツド１の下面１ｂと
ヘツドライナ３の上面との間に、リング１０，１
６，２６により密閉された空部Ｂが形成される。
また、ピストン冠部８とスカート部６との間に、
リング２８により密閉された空部Ｄが区画され
る。これらの空部Ｂ，Ｃ，Ｄは断熱層として働
く。

各部に用いるセラミツクスとして、ヘツドライ
ナ３にはチツ化ケイ素が、シリンダライナ４には
PSZ（部分安定ジルコニア）が、ピストン冠部８
にはチツ化ケイ素が好適である。

上述のように構成されたシリンダヘツド１の空
部Ｂ，Ｃとピストン１９の空部Ｄに、第１図に示
した空部Ａと同様に、熱対流防止材５８を充填す
ることにより、燃焼ガスに曝されるヘツドライナ
３からシリンダヘツド１への熱放散が抑えられ、
ピストン冠部８からスカート部６への熱放散が抑
えられる。

具体的には、空部Ｂについては各リング１０，
１６，２６を、第２図に示す断熱ガスケツト５５
の場合と同様に、上下２枚の環状のステンレス鋼
板の周縁部分を重合せ結合するか、パイプを環状
に湾曲して中空リング５６を構成し、中空リング
５６の内部に熱対流防止材５７を充填したうえ、
シリンダヘツド１の下面１ｂとヘツドライナ３の
上面との間に挾む。この場合、リング１０，１６
は燃料噴射ノズル５の取付穴と吸・排気ポート１
１を囲むように装着し、ヘツドボルトの締付荷重
を支持する。

空部Ｃについては、ステンレス鋼板からなる内
外２つの円筒体を上下両端部で互いに結合する
か、内外２つの円筒体の間に上下１対の位置決め
リング９を介装したうえ、内部に熱対流防止材５
８を充填する。

ピストン１９の空部Ｄについても、熱対流防止
材５８を充填する。熱反射面を備えるアルミニウ
ム箔、銀箔などで予め熱対流防止材５８を包んだ
袋体を、空部Ｄに収容すれば、熱反射面は空部Ｄ
の内面に密接して熱の放射伝達を抑え、組付が簡
単である。

［発明の効果］ 本発明は上述のように、耐熱性金属からなる中
空リングの内部に低熱伝導率の粉末を充填して断
熱ガスケツトを形成し、金属構造体とセラミツク
ス断熱壁との間に前記断熱ガスケツトを介装して
断熱ガスケツトを貫通するボルトにより結合し、
断熱ガスケツトで囲まれた空部において金属構造
体とセラミツクス断熱壁とに耐熱性金属からなる
熱反射板をそれぞれ重ね合せ、熱反射板相互の間
に耐熱性フアイバを充填したものである。

したがつて、本発明によれば、セラミツクス断
熱壁は金属構造体への伝熱を抑えかつ金属構造体
を熱から保護し、セラミツクス断熱壁と金属構造
体との間に介装した中空リングは、ボルトの締付
荷重を支持しかつセラミツクス断熱壁と金属構造
体との間に空部を保持する。

セラミツクス断熱壁と金属構造体との間の空部
は内面に熱反射材を重ね合され、かつ耐熱性フア
イバを充填されるので、セラミツクス断熱壁から
金属構造体への熱対流と放射による伝熱量を大幅
に低減できる。

金属構造体とセラミツクス断熱壁との間の空部
に耐熱性フアイバを充填することは、従来の断熱
内燃機関に何ら変更を加えないで実施でき、燃焼
室からの熱放散を抑え、熱機関の熱効率を向上で
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る熱機関などの断熱構造の
原理的構成を示す断面図、第２図は同断熱構造に
おける金属構造体とセラミツクス断熱壁との間に
空部を構成するための断熱ガスケツトの一例を示
す正面断面図、第３図は同断熱構造の一部変更実
施例を示す断面図、第４図は本発明に係る断熱構
造にが適用される断熱内燃機関の正面断面図であ
る。 Ａ〜Ｄ……空部、５１……セラミツクス断熱
壁、５２……金属構造体、５５……断熱ガスケツ
ト、５７，５８……熱対流防止材、５９……熱反
射板。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 耐熱性金属からなる中空リングの内部に低熱
   伝導率の粉末を充填して断熱ガスケツトを形成
   し、金属構造体とセラミツクス断熱壁との間に前
   記断熱ガスケツトを介装して断熱ガスケツトを貫
   通するボルトにより結合し、断熱ガスケツトで囲
   まれた空部において金属構造体とセラミツクス断
   熱壁とに耐熱性金属からなる熱反射板をそれぞれ
   重ね合せ、熱反射板相互の間に耐熱性フアイバを
   充填したことを特徴とする、熱機関などの断熱構
   造。