JPH0723266B2 - 耐火物被覆方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、高温ガス乃至高温腐食性ガス環境に曝される
金属製ベース（ポペット弁，タービン翼等）上に、保護
と断熱のためにセラミックの耐火物を被覆するようにし
た耐火物構造において、特に、金属製ベースに耐火物を
脱落なく固着できるようにした耐火物被覆方法に関す
る。

［従来の技術］ 一般に、ポペット弁，タービン翼等においては、高温ガ
ス又は高温腐食性ガスから表面を隔離して保護するため
にまたはこれらのガスからの入熱をできるだけ制限でき
るようにするために、その受熱側の表面にセラミックの
耐火物を被覆するという対策が施されている。この耐火
物の被覆方法には、従来、炎溶射，プラズマジェットと
いった方法や、セラミックの耐火物をライニングすると
いった方法が用いられている。

［発明が解決しようとする問題点］ しかしながら、セラミックは熱衝撃に弱く、したがっ
て、コーティングやライニング後に、熱応力，熱衝撃が
加えられると耐火物にクラックが入りやすく、またクラ
ック発生後に、さらに振動を受けると、クラックが成長
して脱落してしまうという問題があった。

このため、従来は、定期的な検査を実施してその信頼性
を確保せざるを得なかった。

本発明は上記問題点を有効に解決すべく創案されたもの
で、その目的は、金属製ベース上に、セラミックの耐火
物を健全に取り付けることができるようにした耐火物被
覆方法を提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 本発明は上記目的を達成すべく、高温ガス乃至高温腐食
性ガスに曝される金属製ベースをセラミックの耐火物で
被覆するに際して、予め耐火物を複数に分割しておくと
共にそれら分割片の被着面にこれより突出させて柱状に
フィンを設けておく一方、金属製ベースにその受熱側と
放熱側との間に冷却乃至断熱のための間隙を形成してお
くと共に金属製ベースにその受熱側に各分割片のフィン
を間隙内に挿入させて各分割片の被着面を金属製ベース
の受熱側面に着座させるための係合孔を設けておき、各
分割片のフィンを各係合孔に夫々係合した後に、各分割
片のフィンの外周面と各係合孔の内周面との間を銀ロウ
等の低融点のロー材で融接して金属製ベースをセラミッ
クの耐火物で被覆するようにしたものである。

［作用］ 耐火物を複数の分割片に分割し、銀ロウ等の低融点のロ
ー材によって各分割片のフィンを金属製ベースの係合孔
に融接するという方法は、耐火物全体に熱衝撃を及ぼす
ことがない。また、銀ロウ等のロー材は、融接後、セラ
ミックの分割片によって断熱され、かつ冷却乃至断熱の
ための間隙によって適度に冷却されるため、実際の使用
状態において、再溶融することはない。したがって分割
片は金属製ベースから脱落することなく、金属製ベース
を高温ガス乃至高温腐食性ガス環境から保護する。

［実施例］ 以下に、本発明の耐火物被覆方法の好適実施例を添付図
面に基づいて説明する。

第１図において、１は、受熱側部材1aと放熱側部材1bと
から成る金属ベースである。放熱側部材1bは、その表
面、すなわち受熱側部材1a側の面に、所定間隔を隔てて
柱状のフィン1cを多数有している。これらフィン1cは、
その長さは、フィン1cの先端面が受熱側部材1aの裏面に
突き当てられ固着されたときに、受熱側部材1aの裏面と
放熱側部材1bの表面との間に、冷却空間乃至断熱空間と
なる間隙14を形成し得るように定められている。また、
受熱側部材1aは、そのフィン1cが接続される部位を除い
た他の部位に、所定間隔を隔てて係合孔３が設けられて
いる。２は、上記受熱側部材1aの表面を覆うセラミック
の耐火物であり、予め矩形状に分割された多数の耐火物
片2aによって構成されている。各耐火物片2aには、その
裏面の係合孔３と向き合わせられる部分に、係合孔３に
挿通するフィン５を一体に有している。このフィン５
は、その先端面が放熱側部材1bの表面1dと当接されたと
きに、耐火物片2aの裏面４を受熱側部材1aの表面に当接
させるようにその長さが定められている。また、フィン
５には、フィン５の先端面が放熱側部材1bの表面1dと当
接した状態において、耐火物片2aと受熱側部材1aとの一
体化を可能にするために、その係合孔３の内周面と向き
合う部分がその円周方向に沿って窪ませられている。つ
まり、この溝部６に銀ロウ等の低融点の金属粉末（ロウ
材）を充填し、これを溶融、冷却することにより、耐火
物片2aを受熱側部材1aに一体化するようになっている。

次に耐火物片2aで金属製ベース１を被覆する方法につい
て詳述する。まず第１図及び第２図に示す如く、受熱側
部材1aの係合孔３に、耐火物片2aのフィン５を挿通し、
フィン５の先端面が放熱側部材1bの表面に突き当たった
ら、銀ロウ等の金属粉末を吹き込んでこれを溝部６内に
供給する。遠心力や加振によって係合孔３の内周面と溝
部６との間に、強制的に金属粉末を充填する。高温炉等
により金属粉末を加熱溶融し、その後、冷却して耐火物
片2aを受熱側部材1aに固着する。

このように耐火物２を多数の耐火物片2aから形成し、銀
ロウ等の金属粉末によって耐火物片2aを受熱側部材1aに
固着するという方法によれば、熱衝撃の熱歪が耐火物全
体に影響することがない。このため、クラック、欠損と
いった従来の問題は解消されることになる。また、溝部
６に充填された銀ロウは、耐火物片2aによって断熱さ
れ、間隙14によって適度に冷却されるため、実際の使用
状態において、再溶融することはない。したがって再溶
融による耐火物片2aの脱落もない。なお、上記フィン５
を固着したのと同様にフィン1cの先端を銀ロウ等で融接
するようにしても構わない。

第３図は本発明に係る耐火物被覆方法を円筒状の金属製
ベース（内燃機関のシリンダ，高温ガスダクト，燃焼器
等）に適用した例を示している。

円筒状の放熱側部材1bの外周部には、周方向に所定間隔
を隔てて雌ねじ部９が形成され、その雌ねじ部９に植え
込みボルト（上記実施例で説明したフィン1cに相当す
る）10が螺合されている。このとき各植え込みボルト10
の先端面の位置は、円周方向において揃えられる。受熱
側部材1aを放熱側部材1bに嵌合し、受熱側部材1aを放熱
側部材1bの軸芯に位置決めする。位置決めを終えた後
は、植え込みボルト10のねじ推力を微調節し植え込みボ
ルト10にロックナット11を螺合して放熱側部材1bと受熱
側部材1aとを一体化する。次に、受熱側部材1aの内周面
（受熱面）を耐火物片2aで被覆する。この場合、耐火物
片2aは、受熱側部材1aの内周面に密着して着座し得るよ
うに予め湾曲させて形成され、また受熱側部材1aには、
係合孔３が設けられている。したがって上記実施例と同
様に各係合孔３に各耐火物片2aのフィン５を係合させた
後、係合孔３とフィン５の溝部６との間に銀ロウ等の金
属粉末を吹き込みんでこれを溶融し冷却すれば、耐火物
片2aは受熱側部材1aに一体に固着される。なお、放熱側
部材1bに、冷却口を設け、間隙14に、空気または蒸気化
された冷却流体を供給し循環させれば、金属ベース１及
び耐火物片2aをさらに好適に冷却することができる。

第４図は、高温ガスダクト内面を耐火物片2aで被覆した
例を示している。耐火物片2aの取り付けは、第３図の場
合と同じである。

なお、上記放熱側部材1bの外周面には、第３図に示すよ
うにロックナット11を着座させるために平坦に座面が形
成されているが、ロックナットの座面に座グリ部をテー
パー状に形成してこれに座面がテーパー状のロックナッ
トを嵌合させるようにしても構わない。また、受熱側部
材1aの位置決めを容易なものとするために、受熱側部材
1aの外周部に植え込みボルト10の先端部を嵌合させる得
るように窪みを設けることも可能である。

第５図，第６図は、内燃機関等のピストンに適用した例
を示している。

円筒状の耐火物２は、予め頂面1dの周方向において扇形
に分割されており、ピストン15は、その頂面部に耐火物
２を嵌め込むためのインロー部16を有している。そして
ピストン15の頂面1dには、これより突出させて柱状にフ
ィン1cが設けられている。

まずフィン1cの先端面に、円盤状の受熱側部材1aを載置
し固着する。その後、耐火物片2aのフィン５を受熱側部
材ａの係合孔３に嵌合させる。その後、フィン５の溝部
６と係合孔３との間に銀ロー等の金属粉末を充填し溶融
し冷却してピストン15の頂部1dに耐火物片2aを固着す
る。

なお、ピストン15と金属ベース１との固着にあっては、
第５図，第７図に示す如く、特定のフィン1cが受熱側部
材1aを貫通してその先端面が耐火物片2aの内面に当接し
得る長さに設定され、そしてそのフィン1cの先端に開先
を施して、開先と耐火物片2aの内面との間に、銀ロー等
の金属粉末を充填し溶融し冷却することにより、耐火物
片2aを頂部1dに固着するようになっている。また、ピス
トン15の頂面1dと上記受熱側部材1aとの間の間隙14に冷
却流体を供給し、間隙14で熱交換した冷却流体を排出さ
せることができるようにするために供給ポート17と排出
ポート18とが設けられている。

第８図乃至第10図は、内燃機関のポペット弁に適用した
例が示されている。

従来はポペット弁を中空としてポペット弁内に冷却室を
形成し、冷却室にバナジウム等の冷却流体を封入して蒸
発・凝縮を繰り返させ、弁傘部を冷却するという方法が
採られていたが、この冷却方法は、ポペット弁を過冷却
してしまうといった問題や、低温腐食が生じてしまうと
いった問題があった。

そこで、ポペット弁を良好な状態に保つためには、上記
の実施例と同様に、ポペット弁の弁傘部への入熱量を耐
火物で断熱するという方法が有効となる。

第８図に示す例では、ポペット弁25は、予め弁傘部26に
おいてポペット弁25の軸方向に弁棒27側の上部本体28
と、弁傘部26側の下部本体29とに２つに分割されてい
る。すなわち、この実施例にあっては、下部本体29が、
上記実施例の受熱側部材1aに対応し、上部本体28が上記
実施例の放熱側部材1bに対応する。

上部本体28には、その弁棒27の軸芯に沿って通路30が形
成され、通路30は弁傘部26内の上方に拡径して形成され
た冷却室31と連通している。また、上部本体28の分割面
にはその軸芯部に、これより開口されて冷却室31と連通
する連絡ポート32が形成され、連絡ポート32の上部は拡
径されて嵌合部33となっており、これに管状部材36を嵌
合させて設けることによって、管状部材36内に冷却ガス
を循環させるための第１冷却通路34が形成され、管状部
材36の外側に冷却ガスを循環させるための第２冷却通路
35が形成されるようになっている。

上部本体28には、その分割面の周側部に、これより開口
され冷却室31に連通するポート37が設けられている。ポ
ート37は、周方向に間隔を隔てて放射状に設けられてい
る。

上部本体28は、その分割面にフィン1cが設けられてい
る。

下部本体29は、そのバルブフェイス部38の外周縁より内
方の部分が耐火物２を収容すべく全体として円筒状に窪
ませられている。そして下部本体29には、円周及び半径
方向に間隔を隔てて係合孔３が設けられている。

耐火物２は、第８図乃至第10図に示す如く、上部本体28
の軸芯部に設けられた係合孔３に、フィン５が挿通され
る円盤状の耐火物片2eと、他の係合孔３に嵌合するフィ
ン５をそれぞれ一体に有し耐火物片2eを中心にして上記
円筒状の窪みに放射状に配列される扇形の耐火物片2aと
から成り、各耐火物片2e,2aのフィン５は、その長さ
が、耐火物片2a,2eの裏面が下部本体28の表面に当接さ
れたときに、フィン５の先端面が上部本体28の表面と当
接するようになっている。もちろんフィン５には、上記
と同様に溝部６が設けられている。耐火物２の被覆は、
まず、各耐火物片2a,2eの各フィン５が、上記各係合孔
３に挿通された後、上記実施例と同様に耐火物片2a,2e
の被着面1dと下部本体29との間に銀ロウ等の金属粉末が
吹き込まれ、その後に、回転，振動等がポペット弁25に
加えられて金属粉末が充填され、その後に加熱炉等によ
り金属粉末が溶融され、冷却されることによりなされ
る。

第11図は、リターンフロー式のタービン翼に適用した例
を示している。

図において、2aはフィン５を有する耐火物片、1aは受熱
側部材、1bは放熱側部材、1cはフィンである。

図示される如く、放熱側部材1bの両側面には、フィン1c
を介して受熱側部材1aが一体的に接合され、その受熱側
部材1aの各係合孔３に耐火物片2aのフィン５が挿通され
ている。耐火物片2aのフィン５の溝部６と係合孔３との
間に、上述の如く銀ロウ等の金属粉末が充填され、その
後後、金属粉末を溶融し冷却してフィン５を放熱側部材
1bに固着する。この例にあっても、被着面部1dと受熱側
部材1aとの間には、上述の実施例と同様に間隙14が形成
されている。耐火物片2aには、その表面側（タービン翼
の回転方向）に間隙14と連通させて冷却流体吹き出し口
41が複数形成されている。

流体供給ポート（図示せず）から供給された冷却流体
は、タービン翼40の背面側の冷却空間を流れて翼先端を
回り表面側の間隙14に送給される。吹き出し口41から吹
き出された冷却流体はタービン翼40の表面側に沿って流
れ、耐火物片2aに対して冷却フィルム42を形成しタービ
ン翼40を良好に冷却する。

なお、フィン５の形状，フィン1cの形状は、柱状に限定
されたものではく、間隙14を流れる冷却流体を流れ易く
するような形状に形成されるものであるが、強度を優先
する必要があるときは、異形断面としても構わない。も
ちろんこの場合にあっても係合孔３はフィン1cの形状に
あわせたものとなる。

なお、上記各実施例で述べた耐火物片2aは、熱膨張しに
くいセラミック、例えばSiC,Si₃N₄から形成されてい
る。また銀ロウ等の低溶融金属によるロウ付けの際に、
耐火物片2aの接合部、実施例においては溝部６に表面処
理を施すことによって良好な溶着を得ることもできる。

以上説明したことから明らかなように上述の実施例によ
れば次の如き優れた効果が得られる。

金属ベース上の被着面に、金属ベースの大小にかか
わらず耐火物を容易に被覆できる。

フィン５の先端面を金属ベース１に当接させて、外
力を受けるようにしたので、接合部（溶着部）に加えら
れる荷重を少なくし脱落防止を図ることができる。

銀ロウ等の再溶融を防いで耐火物片の脱落を防止す
ることができる。

冷却流体を任意に水，空気，蒸気，油及びその他の
冷媒に変更可能であるため、広範な用途に適用すること
ができる。

銀ロウ等の溶着による被覆方法は製作費が安く作業
を省力化することができる。

［発明の効果］ 以上詳述したように本発明によれば次の如き優れた効果
を発揮する。

（１）熱衝撃による耐火物片のクラックを防ぐことがで
き、耐火物片を脱落なく金属ベースに固着しておくこと
ができる。

（２）製作費が安くかつ簡単に製作することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の耐火物被覆方法の好適一実施例を示す
概略断面図、第２図は第１図のII−II線断面矢視図、第
３図は内燃機関のシリンダ，高温ガスダクト及び燃焼器
等に本発明の耐火物被覆方法を適用した例を示す図、第
４図は第３図のIV−IV線断面矢視図、第５図は内燃機関
のピストンに適用した例を示す図、第６図は第５図のVI
−VI線断面矢視図、第７図は第５図の要部詳細図、第８
図は本発明の耐火物被覆方法を内燃機関のポペット弁に
適用した例を示す図、第９図は第８図のIX−IX線断面矢
視図、第10図は第８図のＸ−Ｘ線矢視図、第11図はター
ビン翼に適用した例を示す図である。 図中１は金属ベース、２は耐火物、2aは耐火物片、３は
係合孔、５はフィン、14は間隙である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】高温ガス乃至高温腐食性ガスに曝される金
   属製ベースをセラミックの耐火物で被覆するに際して、
   予め耐火物を複数に分割しておくと共にそれら分割片の
   被着面にこれより突出させて柱状にフィンを設けておく
   一方、金属製ベースにその受熱側と放熱側との間に冷却
   乃至断熱のための間隙を形成しておくと共に金属製ベー
   スにその受熱側に各分割片のフィンを間隙内に挿入させ
   て各分割片の被着面を金属製ベースの受熱側面に着座さ
   せるための係合孔を設けておき、各分割片のフィンを各
   係合孔に夫々係合した後に、各分割片のフィンの外周面
   と各係合孔の内周面との間を銀ロウ等の低融点のロー材
   で融接して金属製ベースをセラミックの耐火物で被覆す
   るようにしたことを特徴とする耐火物被覆方法。