本発明のシリンダは、ピストンが内壁面� ��摺動するシリンダであって、上記シリンダ� ��内壁面のうち、上記ピストンの上死点にお� ��る最下位のピストンリングのリング溝の下� ��位置から、上記ピストンの下死点における� ��上位のピストンリングのリング溝の上面位� ��までの間の領域である行程中央部領域に複� ��個の凹部が形成されており、上記行程中央� ��領域の面積を100%としたときの、全凹部の面 積の合計が1%~80%の範囲内であり、上記シリン ダの内壁面の、上記行程中央部領域以外の領 域には上記凹部が形成されていないことを特 徴とするものである。

 本発明のシリンダは、上述したような凹� ��が形成されているものであれば特に限定さ� ��るものではない。本発明のシリンダは、上� ��凹部が形成されている、内壁面の形状によ� ��てピストンとの往復動摩擦を低減する効果� ��奏するものであるため、ピストンと組み合� ��て用いられ、当該ピストンがシリンダの内� ��面上を摺動するものであれば、シリンダの� ��途、種類、材質等にかかわらず同様の効果� ��得ることができる。そのため、本発明のシ� ��ンダは、自動車や飛行機のエンジンなどの� ��燃機関、スターリングエンジンなどの外燃� ��関に加え、圧縮機などの、熱機関以外のシ� ��ンダとしても用いることができる。

 また、シリンダには、内側にシリンダライ� ��が固着されており、上記シリンダライナの� ��壁面上をピストンが摺動するもの(以下、シ リンダライナタイプとする場合がある。)と� �上記シリンダライナは固着されておらず、� �ストンがシリンダの内壁面上を直に摺動す� �もの(以下、ライナレスタイプとする場合が� ��る。)とがあるが、本発明はこのようなシリ ンダライナの有無にかかわらず、適用するこ とができる。
 以下、このような本発明の各態様(シリンダ ライナタイプおよびライナレスタイプ)につ� �て、それぞれ説明する。

 A.第一態様(シリンダライナタイプ)
 本発明の第一態様のシリンダは、シリンダ� ��内側にシリンダライナが固着されており、� ��記シリンダライナの内壁面に上記複数の凹� ��が形成されているものである。本態様にお� ��ては、シリンダの内壁面と、シリンダライ� ��の外壁面とが固着されており、ピストンは� ��記シリンダライナの内壁面上を摺動するも� ��であるため、上記シリンダライナの外壁面� ��固着されているシリンダの内壁面には、上� ��凹部は設けられなくともよく、その代わり� ��、実際にシリンダが摺動する面である、上� ��シリンダライナの内壁面に上記凹部が形成� ��れる。

 以下、本態様のシリンダについて、図を� ��いて説明する。図1は、本態様のシリンダの 内側に固着されるシリンダライナにおける、 シリンダライナ内壁面の凹部の形成位置の一 例を示す説明図である。図1に例示するよう� �本態様におけるシリンダライナ1の内壁面2に は、複数個の凹部3が形成されている。上記� �部3は、シリンダライナ1の内壁面2のうち、� �程中央部領域4のみに形成されており、上記� ��程中央部領域4以外の領域には凹部3は形成� �れていない。上記行程中央部領域4は、ピス� ��ンの上死点における最下位のピストンリン� ��のリング溝の下面位置から、上記ピストン� ��下死点における最上位のピストンリングの� ��ング溝の上面位置までの間の領域である。

 図2は、本態様のシリンダの内側に固着さ れるシリンダライナにおける、上記行程中央 部領域4の範囲の一例を示す概略断面図であ� �。図2は、ピストンが往復動する際の、上死� ��停止位置におけるピストン21aと、下死点停� ��位置におけるピストン21bとを同一の断面図� ��示すものである。上記行程中央部領域4は、 シリンダライナ1の内壁面2のうち、上死点停� ��位置におけるピストン21aの最下位のピスト� ��リング22のリング溝23の下面24位置から、下� ��点停止位置21bにおける最上位のピストンリ� ��グ25のリング溝26の上面27位置までの間の領� ��である。図2は、3本のピストンリング(第1圧 力リング、第2圧力リング、オイルコントロ� �ルリング)が用いられる構成のピストンを示� ��ており、最下位のピストンリング22はオイ� �コントロールリングであり、最上位のピス� �ンリング25は第1圧力リングである。

 シリンダが用いられる装置のエネルギー� ��率を向上させる、例えば、エンジンの燃費� ��向上させるためには、ピストンリングと、� ��リンダの内壁面(本態様においてはシリンダ ライナの内壁面)との摩擦損失低減が有効で� �る。摩擦損失の低減方法は摺動条件によっ� �異なるが、特にピストンは上下死点で速度� �0になる等の特徴を持つため、摺動する位置� ��より異なる。そこで本態様のシリンダの内� ��に固着されるシリンダライナにおいては、� ��リンダライナの内壁面の行程中央部領域の� ��に凹部を形成することにより、摺動行程の� ��ての領域において摩擦力を低減することを� ��能とした。

 すなわち、ピストンの移動速度が比較的� ��さい上死点付近および下死点付近では、シ� ��ンダライナの内壁面の表面粗さを小さくす� ��ことにより、往復動摩擦の低減を図ること� ��できる。しかしながら、シリンダライナの� ��壁面と、ピストンリングとの摺動速度が大� ��い領域である行程中央部領域では、潤滑油� ��せん断抵抗の影響が大きくなる。そのため� ��態様においては、シリンダの内側に固着さ� ��るシリンダライナの内壁面のうち、上記行� ��中央部領域に凹部を形成することで、ピス� ��ンリングと、シリンダライナの内壁面との� ��触面積を小さくすることにより、潤滑油の� ��ん断抵抗の影響を低減することを可能とし� ��。

 ピストンリングが摺動する領域全てに凹部� ��形成(行程中央部領域以外の領域にも凹部を 形成)した場合、上記接触面積が小さくなる� �とにより接触面圧が増加し、上死点、下死� �近傍では境界潤滑となるため、摩擦力が増� �する。
 以下、このような本態様のシリンダについ� ��、項目に分けて詳細に説明する。

 1.行程中央部領域
 まず、本態様において、上記凹部が形成さ� ��る領域である行程中央部領域について説明� ��る。
 本態様において「行程中央部領域」とは、� ��述したように、ピストンの上死点における� ��下位のピストンリングのリング溝の下面位� ��から、上記ピストンの下死点における最上� ��のピストンリングのリング溝の上面位置ま� ��の間の領域である。例えば、図2に例示する ように、ピストンの上方から第1圧力リング� �第2圧力リング、オイルコントロールリング� ��順番で3つのピストンリングが配置されてい る場合、上記行程中央部領域の上端はオイル コントロールリングのリング溝の下面位置で あり、下端は第1圧力リングのリング溝の上� �位置である。本態様において上記凹部は、� �記行程中央部領域のみに形成され、上記行� �中央部領域以外の領域には凹部は形成され� �い。なお、本態様は、上述したような3本の� ��ストンリングが用いられる構成に限定され� ��ものではなく、ピストンリングが2本の構成 (圧力リング、オイルコントロールリングが1� ��ずつ)や、ピストンリングが1本の構成(ガス� ��ールと、オイルコントロールとを兼ね備え� ��ピストンリング)においても同様に適用する ことができる。

 2.凹部
 次に、本態様のシリンダの内側に固着され� ��シリンダライナの内壁面の上記行程中央部� ��域に形成される凹部について説明する。
 本態様において、上記行程中央部領域に形� ��される凹部の形状は特に限定されるもので� ��なく、当該凹部の配置等に応じて適宜調整� ��ることができる。例えば、図3(a)~(j)に例示� �るように、直線および/または曲線から構成� ��れる形状の凹部を形成することができる。� ��部は、図3(a)~(c)のような横長の形状でも、� �3(d)~(g)のような縦長の形状でも、図3(h)~(j)の� ��うな縦対横の比率がほぼ等しい形状でもよ� ��。

 また、本態様においては、接触面積を効� ��的、かつ、平均的に低減するために、上記� ��程中央部領域の、シリンダ周方向の全ての� ��面には、上記複数個の凹部のうちの少なく� ��も一つの凹部が形成されていることが好ま� ��い。周方向の断面を考えた場合、ある断面� ��凹部が形成されていないと、当該断面をピ� ��トンリングが通過する際は、凹部が複数個� ��成されている断面を通過する際と比べ、ピ� ��トンリングと、シリンダライナの内壁面と� ��接触面積が大きくなる。そのため、凹部が� ��成されていない断面を通過する際は、潤滑� ��のせん断抵抗の影響が大きくなり、結果と� ��て往復動摩擦も大きくなる。

 これに対し、上述したように行程中央部� ��域において、シリンダ周方向の全ての断面� ��おいて上記複数個の凹部のうちの少なくと� ��一つの凹部が形成されている場合は、行程� ��央部領域内のどの周方向断面をピストンリ� ��グが通過する際も、接触面積を確実、かつ� ��平均的に低減することができるため、往復� ��摩擦も確実に低減することができ、高い往� ��動摩擦力低減効果を得ることができる。

 本態様において「シリンダ周方向の全て� ��断面において上記複数個の凹部のうちの少� ��くとも一つの凹部が形成されている」状態� ��例としては、図4(a)や(b)のような場合を挙げ ることができる。図4(a)および(b)は、上述し� �図1の行程中央部領域4における、凹部3の配� �の一例を示す概略展開図である。図4(a)およ� ��(b)においては、図面の上下方向がシリンダ� ��軸方向であり、図面の左右方向がシリンダ� ��周方向である。図4(a)に例示するように、シ リンダ周方向にひいた線Xは、凹部3aの最下点 5aが、その下方に最も近接する凹部3bの最上� �6bよりも下側に位置する。また、シリンダ周 方向にひいた線Yは、凹部3bの最下点5bが、そ� ��下方に最も近接する凹部3cの最上点6cよりも 下側に位置する。このように、上下に近接す る凹部同士を、シリンダ軸方向に重なるよう に配置することにより、シリンダ周方向の全 ての断面において上記複数個の凹部のうちの 少なくとも一つの凹部を形成することができ る。以上より、ピストンが往復動した際に、 行程中央部領域において、摺動するピストン リングが、シリンダ軸方向のどの位置におい てもシリンダ内壁面との接触面積を小さくす ることができ、往復動摩擦の低減に効果を奏 する。

 ここで、図4(b)も図4(a)と同様、上述した� �1の行程中央部領域4における凹部3の配置の� �例を示す概略展開図である。図4(b)において� ��図面の上下方向がシリンダの軸方向であり� ��図面の左右方向がシリンダの周方向である� ��図4(a)にあっては、凹部3がシリンダ軸方向� �わたって均一の面積率(行程中央部領域の面� ��を100%としたときの、全凹部の面積の合計の 割合)で形成されているが、この態様に限定� �れることはなく、図4(b)に例示するようにシ� ��ンダ軸方向の行程中央部領域4の端部近傍に おいては、凹部3の面積率を小さくし、行程� �央部領域4の中央部近傍においては凹部の面� ��率を大きくしてもよい。

 本態様において上記凹部の寸法は特に限� ��されるものではなく、シリンダや共に用い� ��れるピストンリングの寸法等に応じて適宜� ��整することができる。上記凹部は、上記行� ��中央部領域をシリンダ軸方向に貫くように� ��成されていてもよいが、シリンダの気密性� ��持の観点から、上記凹部のシリンダ軸方向� ��平均長さが、用いられるピストンリングの� ��ちの、最上位のピストンリングの上記シリ� ��ダ軸方向の長さ以下であることが好ましい� ��また、上記凹部のシリンダ軸方向平均長さ� ��、上記凹部を形成した効果が十分に得られ� ��ように、0.2mm以上、中でも0.5mm以上であるこ とが好ましい。

 上記凹部のシリンダ周方向平均長さは、0 .1mm~15mmの範囲内、中でも0.3mm~5mmの範囲内であ ることが好ましい。上記凹部のシリンダ周方 向平均長さが上記範囲に満たない場合は、凹 部を形成した効果が十分に得られない場合が ある。逆に、周方向平均長さが上記範囲を超 える場合は、ピストンリングの一部が上記凹 部内へ入り込み、ピストンリングが変形する 等の不具合が発生する場合がある。

 上記凹部のシリンダ径方向平均長さは、2 μm~1000μmの範囲内、中でも2μm~500μmの範囲内� �特には2μm~50μmの範囲内であることが好まし� ��。上記凹部のシリンダ径方向平均長さが上� ��範囲に満たない場合は、凹部を形成した効� ��が十分に得られない場合がある。逆に、径� ��向平均長さが上記範囲を超える場合は、加� ��が困難であり、また、シリンダライナの径� ��向長さを長くする(肉厚を厚くする)必要が� �る等の不具合が生じる場合がある。

 本態様において、上記凹部間のシリンダ� ��方向平均長さは、0.1mm~15mmの範囲内、中でも 0.3mm~5mmの範囲内であることが好ましい。上記 凹部間のシリンダ周方向平均長さが上記範囲 に満たない場合には、ピストンリングが摺動 するシリンダライナの内壁面の幅が小さすぎ て、ピストンリングと、シリンダライナの内 壁面とが安定して摺動できない可能性がある 。逆に、上記凹部間のシリンダ周方向平均長 さが上記範囲を超える場合には、凹部を形成 した効果が十分に得られない可能性がある。

 なお、本態様において上述した凹部の各� ��均長さとは、図5に例示する各個所の平均長 さを意味するものとする。図5(a)は、シリン� �ライナの内壁面の、シリンダ軸方向を図面� �上下方向に示した概略展開図である。また� �図5(b)は、シリンダライナの、周方向におけ� ��概略断面図である。上記凹部の軸方向平均� ��さとは、図5(a)に例示するように、シリンダ 軸方向における、凹部3の長さの平均である� �

 上記凹部3の周方向平均長さとは、図5(a)� �例示するように、シリンダ周方向における� �凹部3の長さの平均である。図5(b)に例示する ように、上記凹部3の周方向平均長さとは、� �壁面2を含む面における長さの平均を意味す� ��ものとし、上記凹部の面積についても同様� ��する。

 上記凹部3の径方向長さとは、図5(b)に例� �するように、凹部3の底面からシリンダライ� ��1の内壁面2までの長さの平均である。また� �上記凹部間のシリンダ周方向平均長さとは� �図5(a)および図5(b)に例示するように、隣り合 う凹部3の間の長さの平均である。

 本態様において上記凹部の配置は特に限� ��されるものではない。例えば図6はシリンダ ライナの内周を周方向に開いた展開図を示す が、図6(a)に例示するように、凹部が上記行� �中央部領域をシリンダ軸方向に貫くように� �成されていてもよいし、図6(b)に例示するよ� ��に、シリンダライナの内壁面上にらせん状� ��形成されていてもよい。また、図6(c)および (d)に例示するように、シリンダ軸方向に特定 の長さを有する形状の凹部が一定の間隔をお いて配置されていてもよい。さらに、凹部は 不規則(ランダム)に配置されていても、図6に 例示されているように規則的に配置されてい てもよい。加えて、1つのシリンダライナの� �壁面上に形成される複数個の凹部の形状や� �法は、互いに異なっていても、同一でもよ� �。

 本態様においては、上記行程中央部領域� ��みに複数の凹部が形成されており、行程中� ��部領域の面積を100%としたときの、全凹部の 面積の合計が1%~80%の範囲内であればよく、シ リンダ周方向の断面当たりに形成される凹部 の個数等は特に限定されるものではない。し かしながら、一つのシリンダ周方向の断面に 形成される凹部の個数が少なすぎる場合など は、上記凹部を形成し、接触面積を低減する ことによって得られる往復動摩擦力低減効果 が十分に得られない可能性がある。そのため 、上記行程中央部領域においては、シリンダ 周方向の全ての断面に、往復動摩擦力低減効 果が得られる程度の凹部が形成されているこ とが好ましい。

 上記往復動摩擦力低減効果が得られる程� ��の凹部とは、共に用いられるピストンの往� ��動の速度等によって異なるものではあるが� ��本態様においては、行程中央部領域の面積� ��100%としたときの、全凹部の面積の合計が1%~ 80%の範囲内であり、好ましくは10%~60%の範囲� �、中でも20%~50%の範囲内である。上記面積率� ��上記範囲に満たないと、凹部を形成した効� ��が十分に得られない場合があり、上記面積� ��が上記範囲を超えると、接触面積が小さす� ��、ピストンリングがシリンダライナの内壁� ��を安定して摺動できなくなる等の不具合が� ��じる可能性があるからである。上記往復動� ��擦力低減効果の観点から、凹部の寸法には� ��述したような好ましい範囲がある。そのた� ��、このような凹部の寸法の好ましい範囲を� ��慮し、上記面積率が上記範囲内となるよう� ��、シリンダ周方向の断面当たりに形成する� ��部の個数を調整することが好ましい。

 本態様において「行程中央部領域の面積を1 00%としたときの、全凹部の面積の合計」とは 、図7(a)および(b)に例示するように、凹部3の� ��積をA ₁ 、A ₂ 、A ₃ ・・・A _n としたときの、上記行程中央部領域の面積に 対する、A ₁ 、A ₂ 、A ₃ ・・・A _n の合計の比率を意味するものである。上記面 積率は、上記行程中央部領域における凹部3� �面積A ₁ 、A ₂ 、A ₃ ・・・A _n の合計A _total と、行程中央部領域における凹部3以外の内� �面2の面積Bの合計B _total とを用い、下記式で表される。なお、図7(a)� �例示するように、ここで上記凹部3の面積と� ��、上記凹部3の底部の面積ではなく、内壁面 2を含む断面における面積を意味する。

 本態様においては、上述した凹部の形状� ��寸法、配置、面積率等は、行程中央部領域� ��全ての領域において同じでも良いし、領域� ��よって異なっていてもよい。例えば、行程� ��央部領域において、シリンダ軸方向の各領� ��で上記面積率が異なっていてもよく、図4(b) に例示するように行程中央部領域の上方部分 および下方部分(端部近傍)においては凹部面� ��率が小さく、行程中央部領域の中央部分に� ��いては凹部面積率が大きくなっていてもよ� ��。また、上記面積率等は段階的に変化して� ��、連続的に変化してもよい。

 3.シリンダライナ
 本態様におけるシリンダライナは、ピスト� ��と組み合せて用いられるシリンダの内壁に� ��着して用いられるものであり、ピストンに� ��着されたピストンリングが、その内壁面上� ��摺動するものである。本態様のシリンダの� ��側に固着されるシリンダライナは、上記行� ��中央部領域のみに複数の凹部が形成されて� ��り、行程中央部領域の面積を100%としたとき の、全凹部の面積の合計が1%~80%の範囲内であ ればよく、その寸法や材質等は、共に用いら れるシリンダの寸法や運転温度等に応じて適 宜調整することができる。

 本態様においては、ピストンリングと、� ��リンダライナの内壁面との往復動摩擦低減� ��観点から、上記行程中央部領域の、上凹部� ��形成されていない個所の十点平均粗さRzが4� �m以下、中でも2μm以下、特に1μm以下である� �とが好ましい。本態様においては、シリン� �ライナの内壁面における、上死点付近の領� �、下死点付近の領域、および上述した行程� �央部領域等、ピストンリングが摺動する全� �の領域が上記表面粗さを有することが好ま� �い。なお、上記十点平均粗さRzとは、JIS B060 1-1994にて規定されているものである。

 4.シリンダ
 本態様において用いられるシリンダは、上� ��したような凹部が形成されたシリンダライ� ��を、その内部に固着できるものであればよ� ��、その寸法や材質等は、当該シリンダが用� ��られるエンジンや圧縮機等の寸法や運転温� ��等に応じて適宜調整することができる。

 B.第二態様(ライナレスタイプ)
 本発明の第二態様のシリンダは、上記「第� ��態様」のようなシリンダライナは固着され� ��おらず、シリンダの内壁面に直に上記凹部� ��形成されており、ピストンが当該シリンダ� ��内壁面上を直に摺動するものである。

 本態様において用いられるシリンダは、� ��の内壁面に上述したような凹部が形成され� ��ものであればよく、その寸法や材質等は、� ��該シリンダが用いられるエンジンや圧縮機� ��の寸法や運転温度等に応じて適宜調整する� ��とができる。また、シリンダの内壁に表面� ��理が施される場合があるが、本態様はこの� ��うな表面処理の有無や、シリンダ母材の材� ��等にかかわらず適用することができる。

 本態様においては、ピストンリングと、� ��リンダの内壁面との往復動摩擦低減の観点� ��ら、上記行程中央部領域の、上凹部が形成� ��れていない個所の十点平均粗さRzが4μm以下� ��中でも2μm以下、特に1μm以下であることが� �ましい。本態様においては、シリンダの内� �面における、上死点付近の領域、下死点付� �の領域、および上述した行程中央部領域等� �ピストンリングが摺動する全ての領域が上� �表面粗さを有することが好ましい。なお、� �記十点平均粗さRzとは、JIS B0601-1994にて規定 されているものである。

 本態様のシリンダは、シリンダライナが� ��いられず、シリンダの内壁面上に上記凹部� ��形成されること以外については、上記「A.� �一態様」のシリンダライナタイプのシリン� �と同様であるため、ここでの説明は省略す� �。すなわち、「A.第一態様」の「1.行程中央� ��領域」および「2.凹部」については、本態� �のライナレスタイプにもそのまま適用する� �とができ、本態様のシリンダは、その内壁� �の行程中央部領域に上述したような凹部を� �けることにより、「A.第一態様」の場合と同 様な効果を奏するものである。

 なお、本発明は、上記実施形態に限定さ� ��るものではない。上記実施形態は、例示で� ��り、本発明の特許請求の範囲に記載された� ��術的思想と実質的に同一な構成を有し、同� ��な作用効果を奏するものは、いかなるもの� ��あっても本発明の技術的範囲に包含される� ��例えば、本発明のシリンダ内壁面の材質は� ��アルミ、アルミ系合金、鋳鉄、鋳鋼、鋼等� ��従来より使用されている材質を用いること� ��できる。