JP2010185290A - 遮熱膜及びその形成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】遮熱性及び耐久性に優れた遮熱膜２００を提供する。
【解決手段】中空粒状体３１を内部に分散させたバインダ３２からなる遮熱膜２００であって、中空粒状体３１の殻３１ｂは、バインダ３２の弾性率よりも低い弾性率を有する材料で構成されている。
【選択図】図５

Description

本発明は、耐熱性が高い遮熱膜及びその形成方法に関する。

熱伝導率の低いセラミックス（例えば、ジルコニア）からなる単一材料の遮熱膜を内燃機関の燃焼室内壁に形成することで、燃焼室内の燃焼ガスからの熱伝達を低下させて熱効率の向上を図る技術が開示されている（非特許文献１，２）。

また、熱伝導率が５Ｗ／ｍＫ以下及び耐熱衝撃性が８００Ｋ以上で、熱膨張率が金属部品の熱膨張率より小さいセラミック遮熱部材を金属部品に形成する技術が開示されている（特許文献１）。このセラミックス遮熱部材としては、曲げ強度が１００ＭＰａ以上及び気孔率が３０％以上の窒化ケイ素を主成分とする多孔体が好ましいことが開示されている。

また、構造体部品の表面に耐熱性材質の被覆層を柱状晶組織，微細結晶粒組織、又は柱状晶組織と微細結晶粒組織で積層させる技術が開示されている（特許文献２）。この耐熱被覆層は熱応力の負荷により膜厚方向に微細なクラックを生じて熱応力と緩和することができる。

特開平１１−２１６７９号公報 特開平９−３６４７号公報

Gerhard Woschni他,"Heat Insulation of Combustion Chamber Walls - A Measure to Decrease the Fuel Combustion of I.C. Engines?",SAE Paper 870339,Society of Automotive Engineers,1987 Victor W.Wong他,"Assessment of Thin Thermal Barrier Coatings for I.C. Engines",SAE Paper 950980,Society of Automotive Engineers,1995

ところで、遮熱膜の材料として熱伝導率の低いセラミックを使用した場合、金属に比べて熱膨張率が低く、高温のガスに曝されて遮熱膜の温度が上がったときに金属との熱膨張の差によって膜に割れが生じやすいという問題がある。

また、耐熱性材質の被覆層を柱状晶組織，微細結晶粒組織又は柱状晶組織と微細結晶粒組織で積層させた場合、被覆層の柱状又は微結晶粒を伝わって熱が伝達するため高い遮熱効果を得ることができないという問題がある。

本発明は、上記課題を鑑み、遮熱性及び耐久性が高い遮熱膜及びその形成方法を提供することを目的とする。

本発明の１つの態様は、中空粒状体を内部に分散させたバインダからなる遮熱膜であって、前記中空粒状体の殻は、前記バインダの弾性率よりも低い弾性率を有する材料で構成されていることを特徴とする。

ここで、前記中空粒状体の殻の縦弾性係数は、２４５ＧＰａより小さいことが好適である。具体的には、前記中空粒状体の殻は、純度が９５重量％以上のシリカガラスとすることが好適である。このとき、前記中空粒状体の殻の縦弾性係数は、６５ＧＰａ以上９０ＧＰａ以下であることが好適である。

また、本発明の別の態様は、基材上に遮熱膜を形成する方法であって、バインダの弾性率よりも低い弾性率を有する殻で囲まれた中空部を有する中空粒状体を含む前記バインダを基材上に塗布する塗布工程と、基材上に塗布された前記中空粒状体及び前記バインダを加熱して焼成する焼成工程と、を含むことで、前記中空粒状体を有する遮熱膜を基材上に形成することを特徴とする。

ここで、前記中空粒状体の殻の縦弾性係数は、２４５ＧＰａより小さいことが好適である。具体的には、前記中空粒状体の殻は、純度が９５重量％以上のシリカガラスとすることが好適である。このとき、前記中空粒状体の殻の縦弾性係数は、６５ＧＰａ以上９０ＧＰａ以下であることが好適である。

本発明によれば、遮熱性及び耐久性が高い遮熱膜及びその形成方法を提供することができる。

本発明の実施形態に係る製造方法により製造された内燃機関の概略構成を示す図である。 遮熱膜を形成する方法の一例を説明するフローチャートである。 遮熱膜を形成する方法の一例を説明する図である。 遮熱膜を形成する方法の一例を説明する図である。 遮熱膜を形成する方法の一例を説明する図である。 遮熱膜のシリカガラスの純度と耐熱性との関係を示す図である。

本発明の実施の形態に係る遮熱膜は、図１に示す内燃機関１００の構造体部品の表面に形成される。内燃機関（エンジン）１００は、シリンダブロック１０及びシリンダヘッド１２を備える。シリンダブロック１０内には、その軸線方向に往復運動するピストン１４が収容されている。ピストン１４の頂面１４ａ、シリンダブロック１０の内壁面１０ａ、及びシリンダヘッド１２の下面１２ａに囲まれた空間は、燃焼室１６を形成する。シリンダヘッド１２には、燃焼室１６に連通する吸気ポート１８、及び燃焼室１６に連通する排気ポート２０が形成されている。さらに、吸気ポート１８と燃焼室１６との境界を開閉する吸気弁２２、及び排気ポート２０と燃焼室１６との境界を開閉する排気弁２４が設けられている。シリンダブロック１０には、冷却水ジャケット２６が形成されており、冷却水ジャケット２６に冷却水が供給されることで、内燃機関１００の冷却が行われる。

なお、図１では、説明の便宜上、燃料噴射弁や点火栓等の構成の図示を省略しているが、本実施形態に係る内燃機関１００は、ディーゼルエンジン等の圧縮自着火式内燃機関であってもよいし、ガソリンエンジン等の火花点火式内燃機関であってもよい。圧縮自着火式内燃機関の場合は、例えばピストン１４が圧縮上死点付近に位置するときに燃料噴射弁から燃焼室１６内に燃料を噴射することで、燃焼室１６内の燃料が自着火して燃焼する。火花点火式内燃機関の場合は、点火時期にて点火栓の火花放電により燃焼室１６内の混合気に点火することで、燃焼室１６内の混合気を火炎伝播燃焼させる。燃焼室１６内の燃焼ガスは、排気行程にて排気ポート２０へ排出される。

本実施形態では、燃焼室１６を形成する構造体部品の少なくとも一部の、燃焼室１６内に臨む（面する）壁面上には、燃焼室１６内の燃焼ガスから構造体部品への伝熱を抑制するための遮熱膜２００が形成されている。

ここでは、燃焼室１６を形成する構造体部品として、シリンダブロック（シリンダライナ）１０、シリンダヘッド１２、ピストン１４、吸気弁２２及び排気弁２４を挙げることができる。そして、燃焼室１６内に臨む壁面として、シリンダブロック内壁面（シリンダライナ内壁面）１０ａ、シリンダヘッド下面１２ａ、ピストン頂面１４ａ、吸気弁底面（傘部底面）２２ａ、及び排気弁底面（傘部底面）２４ａのいずれか１つ以上を挙げることができる。図１では、シリンダブロック内壁面１０ａ、シリンダヘッド下面１２ａ、ピストン頂面１４ａ、吸気弁底面２２ａ、及び排気弁底面２４ａの各々に遮熱膜２００を形成した例を示している。ただし、必ずしもシリンダブロック内壁面１０ａ、シリンダヘッド下面１２ａ、ピストン頂面１４ａ、吸気弁底面２２ａ、及び排気弁底面２４ａのすべてに遮熱膜２００を形成する必要はない。すなわち、遮熱膜２００は、シリンダブロック内壁面１０ａ、シリンダヘッド下面１２ａ、ピストン頂面１４ａ、吸気弁底面２２ａ及び排気弁底面２４ａのいずれか１つ以上に形成することでいくらかの効果は得ることができる。

次に、本実施形態に係る内燃機関１００の製造方法、特に、遮熱膜２００を形成する方法について説明する。なお、遮熱膜２００を形成する工程以外の内燃機関１００の製造工程については、周知の工程で実現可能である。

図２は、遮熱膜２００を形成する方法の一例を説明するフローチャートである。まずステップＳ１００の粒子製造工程においては、図３に示すように、遮熱用材料として、周りを殻３１ｂとなる材料で形成した中空部３１ａを有する粒子３１を製造する。ここでの殻３１ｂとなる材料は、後述するバインダよりも弾性率が低い材料とする。

粒子３１としては、例えば、殻３１ｂとしてシリカ（二酸化珪素、ＳｉＯ₂）を主成分とする微細多孔構造の断熱材を挙げることができる。特に、バインダとしてジルコニア（ＺｒＯ₂）、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）、窒化珪素や炭化珪素やコージェライト等のセラミック材料を用いた場合、殻３１ｂとなる材料はシリカ（二酸化珪素、ＳｉＯ₂）とすることが好適である。ジルコニアの縦弾性係数は２４５ＧＰａ程度であり、炭化ケイ素の縦弾性係数は４５０ＧＰａ程度であるので、縦弾性係数が２４０ＧＰａ以下、より好ましくは６５ＧＰａ以上９０ＧＰａ以下であるシリカを殻３１ｂとなる材料として用いることが好適である。

また、殻３１ｂとなる材料は、高純度のシリカとすることが好適である。すなわち、純度が９５重量％以上のシリカとすることが好適である。また、各粒子３１の平均外径は１００μｍ以下、より好ましくは５０μｍ以下とすることが好適である。

なお、粒子３１の平均径は、例えば、最終的に形成される遮熱膜２００の顕微鏡観察の断面図における粒子３１の断面積を平均し、その平均値を粒子３１の断面が円であると仮定した場合の直径として換算して求めることができる。

次に、ステップＳ１０２の薄膜塗布工程では、バインダ３２に粒子３１を多数分散させて基材に塗布する。すなわち、多数の粒子３１をバインダ３２に混入させ、図４に示すように、構造体部品３０の壁面３０ａ上に薄膜状に塗布することで、バインダ３２と多数の粒子３１とを含む薄膜２００を構造体部品３０の壁面３０ａ上に形成する。薄膜２００の厚さは、例えば約１００μｍ程度とすることが好適である。

バインダ３２への粒子３１の充填率は５０％以上９０％以下、より好ましくは６０％以上７０％以下とすることが好適である。

なお、薄膜２００内の粒子３１の充填率は、最終的に形成される遮熱膜２００の顕微鏡観察の断面図において、遮熱膜２００の全断面積に対する粒子３１に相当する領域の面積の割合として求めることができる。

バインダ３２は、構造体部品３０以下の熱伝導率を有し、構造体部品３０よりも低いまたは構造体部品３０とほぼ同等の単位体積あたりの熱容量を有する材料とすることが好適である。一方、粒子３１は、構造体部品３０よりも低い熱伝導率及び構造体部品３０よりも低い単位体積あたりの熱容量を有することが好適である。

バインダ３２は、燃焼室内等の高温及び高圧の燃焼ガスに対する耐熱性及び耐圧性を有しており、粒子３１よりも高い耐熱温度を有し、且つ粒子３１よりも高い強度を有する。

一方、多数の粒子３１は、バインダ３２の内部に混入されていることで、燃焼室１６内の燃焼ガスとは接触しない。バインダ３２は、燃焼室１６内の燃焼ガスから構造体部品３０への伝熱を抑制する機能の他に、粒子３１を燃焼室１６内の高温及び高圧の燃焼ガスから保護する保護材としての機能も有する。バインダ３２は、多数の粒子３１をつなぐ接着材としての機能も有する。一方、粒子３１は、断熱用薄膜２００全体での熱伝導率及び単位体積あたりの熱容量を下げる機能を有する。

バインダ３２の具体例としては、例えばジルコニア（ＺｒＯ₂）、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）、窒化珪素や炭化珪素等のセラミックを挙げることができる。さらに、これらの材料を複数組み合わせてバインダ３２に用いることもできる。

ジルコニアにおいては、熱伝導率λは２．５［Ｗ／(ｍ・Ｋ)］程度であり、単位体積あたりの熱容量ρＣは２５００×１０³［Ｊ／(ｍ³・Ｋ)］程度であり、耐熱温度Ｔｍは２７００［℃］程度であり、強度（曲げ強度）σは１４７０［ＭＰａ］程度である。ジルコニアの他に、コージェライト（熱伝導率λは４［Ｗ／(ｍ・Ｋ)］程度、単位体積あたりの熱容量ρＣは１９００×１０³［Ｊ／(ｍ³・Ｋ)］程度）も用いることができ、さらに、アルミナ系や窒化珪素系のセラミックも一部混合して用いることができる。また、例えば、シリコン、チタンまたはジルコニウム、炭素、及び酸素を含んで構成することができ、この場合、熱伝導率λは２．５［Ｗ／(ｍ・Ｋ)］程度であり、単位体積あたりの熱容量ρＣは１６００×１０³［Ｊ／(ｍ³・Ｋ)］程度であり、耐熱温度Ｔｍは１３００［℃］程度であり、強度（引張強度）σは３３００［ＭＰａ］程度である

バインダ３２のセラミック材料（例えばジルコニア）は、まだ焼成されておらず、緻密化されていない状態で塗布される。すなわち、セラミック材料は、粗な構造であり、固化されていない。

構造体部品３０は、シリンダブロック（シリンダライナ）１０であってもよいし、シリンダヘッド１２であってもよいし、ピストン１４であってもよいし、吸気弁２２であってもよいし、排気弁２４であってもよい。すなわち、構造体部品３０の壁面３０ａは、シリンダブロック内壁面（シリンダライナ内壁面）１０ａであってもよいし、シリンダヘッド下面１２ａであってもよいし、ピストン頂面１４ａであってもよいし、吸気弁底面２２ａであってもよいし、排気弁底面２４ａであってもよい。

また、構造体部品３０の材料の具体例としては、例えば鉄（鋼）、アルミニウムもしくはアルミニウム合金、またはセラミック等を挙げることができる。鉄においては、熱伝導率λは８０．３［Ｗ／(ｍ・Ｋ)］程度であり、単位体積あたりの熱容量ρＣは３５００×１０³［Ｊ／(ｍ³・Ｋ)］程度である。アルミニウムにおいては、熱伝導率λは１９３［Ｗ／(ｍ・Ｋ)］程度であり、単位体積あたりの熱容量ρＣは２４００×１０³［Ｊ／(ｍ³・Ｋ)］程度（ジルコニアとほぼ同等）である。例えば、構造体部品３０に鉄（鋼）、バインダ３２にセラミック（ジルコニア）、粒子３１にシリカビーズを用いる場合は、バインダ３２の熱伝導率及び単位体積あたりの熱容量は構造体部品３０よりも低くなり、粒子３１の熱伝導率及び単位体積あたりの熱容量はバインダ３２よりも低くなる。そして、バインダ３２の耐熱温度及び強度が粒子３１よりも高くなる。

次に、ステップＳ１０４の焼成用加熱工程では、図５に示すように、薄膜２００を加熱して、粒子３１の殻３１ｂを緻密化させるとともにバインダ３２を焼成する。ここでの薄膜２００の加熱では、赤外線による加熱や、レーザによる加熱や、火炎（バーナ）による加熱を用いることが可能である。ここでは、薄膜２００の温度が約２００℃以上２５０℃以下の温度で焼成処理を行う。これにより、バインダ３２が焼成される。以上の工程により、各粒子３１内に中空部３１ａを有する遮熱膜２００が構造体部品３０の壁面３０ａ上に形成される。

内燃機関のシリンダ内における熱損失Ｑ［Ｗ］については、シリンダ内の圧力やガス流に起因する熱伝達係数ｈ［Ｗ／(ｍ²・Ｋ)］、シリンダ内の表面積Ａ［ｍ²］、シリンダ内のガス温度Ｔｇ［Ｋ］、及びシリンダ内に面する（シリンダ内の燃焼ガスと接触する）壁面の温度Ｔｗａｌｌ［Ｋ］を用いて、以下の（１）式で表すことができる。

Ｑ＝Ａ×ｈ×（Ｔｇ−Ｔｗａｌｌ） （１）

内燃機関のサイクルにおいては、シリンダ内ガス温度Ｔｇが時々刻々変化するが、壁面温度Ｔｗａｌｌをシリンダ内ガス温度Ｔｇに追従させるよう時々刻々変化させることで、（１）式における（Ｔｇ−Ｔｗａｌｌ）の値を小さくすることができ、熱損失Ｑを低減することができる。壁面温度Ｔｗａｌｌをシリンダ内ガス温度Ｔｇに追従させるよう変化させるためには、燃焼室内に臨む壁面に形成する遮熱膜については、熱伝導率及び単位体積あたりの熱容量が低いことが望ましい。本実施形態では、遮熱膜２００内に中空部３１ａが多数形成されることで、遮熱膜２００の熱伝導率及び単位体積あたりの熱容量を低くすることができる。その結果、燃焼室壁面温度Ｔｗａｌｌのシリンダ内ガス温度Ｔｇへの追従性を向上させることができ、内燃機関１００の熱効率を向上させることができる。

また、本実施の形態において形成される遮熱膜２００は、バインダ３２内にバインダ３２よりも低い弾性率を有するシリカガラスの殻３１ｂを有する粒子３１を混入させているため、母材となる構造体部品３０の壁面３０ａが加熱された場合であっても母材との界面に生ずるせん断応力を小さくすることができ、大きな歪みにも耐えられるものとなる。

すなわち、遮熱膜２００の内部で破断が発生しないためには、膜が変形した状態で発生するせん断応力以上の強度があればよく、母材との熱膨張の差によって母材界面に発生するせん断応力は、遮熱膜２００の弾性率に比例して低下するので、バインダ３２内部にバインダ３２よりも低い弾性率を有するシリカガラスの殻３１ｂを有する中空の粒子３１を分散させることによってせん断応力を低下させ、より大きな歪みに耐えられるものとしている。

なお、バインダ３２への粒子３１の充填率を５０％以上９０％以下、より好ましくは６０％以上７０％以下とすることによって遮熱膜２００の上記効果を顕著なものにすることができる。

また、粒子３１の殻３１ｂに含まれる不純物の濃度を５重量％未満、すなわちシリカガラスの純度を９５重量％以上とすることによって、遮熱膜２００に対する加熱による粒子３１の耐熱性を高めることができる。すなわち、９５重量％以上の純度を有するシリカガラスの殻３１ｂとした場合、１０００℃以上に加熱したときの遮熱膜２００の電子顕微鏡観察では粒子３１の殻３１ｂは粒子形状をほとんど崩さず保っており、高い遮熱性及び耐久性を維持することができる。一方、シリカガラスの殻３１ｂの純度を７０重量％〜８０重量％まで下げた場合、１０００℃以上に加熱したときの遮熱膜２００の電子顕微鏡観察では粒子３１の殻３１ｂは溶解し、粒子３１の形状が崩れてしまい、高い遮熱性及び耐久性を維持することができない。

図６に粒子３１のシリカガラスの純度と耐熱性との関係を示す。シリカガラスの純度を高くするほど遮熱膜２００の耐熱温度も高くなり、シリカガラスの純度が９５重量％以上で約１０００℃の耐熱性を得ることができる。

また、ステップＳ１０２の薄膜塗布工程では一回に塗布する薄膜２００の厚さを目標の厚さよりも薄くしてもよい。例えば、一回に塗布する薄膜２００の厚さを目標厚さの１／２〜１／５程度とする。ここでの目標厚さは例えば１００μｍ程度の厚さである。その後、ステップＳ１０４の焼成工程を行う。

なお、薄膜２００を構造体部品３０の壁面３０ａ上に形成する際には、バインダ３２をキシレン等の有機溶剤（有機化合物）に溶解させた溶液を構造体部品３０の壁面３０ａ上に薄膜状に塗布することも可能である。

次に、構造体部品３０の壁面３０ａ上に形成された薄膜２００の合計厚さが目標の厚さに達したか否かを判定し、薄膜２００の合計厚さが目標の厚さに達していない場合は、薄膜２００の合計厚さが目標の厚さに達するまでステップＳ１０２の薄膜塗布工程とステップＳ１０４の焼成工程とを交互に繰り返す。一方、薄膜２００の合計厚さが目標の厚さに達した場合は、薄膜２００の塗布及び加熱（焼成）を終了する。

このように、目標の厚さの薄膜２００を形成する際に、薄い薄膜２００の塗りと焼成とを交互に複数回繰り返して目標の厚さにすることによって、１回あたりに焼成される薄膜２００の厚さを薄くすることができ、バインダ３２内に粒子３１を均等に分散させることができる。

なお、遮熱膜２００の形成方法はこれらに限定されるものではなく、バインダ３２内にバインダ３２よりも弾性率が低い殻を有する粒子３１を分散できるものであればよい。

１０ シリンダブロック、１０ａ シリンダブロック内壁面、１２ シリンダヘッド、１２ａ シリンダヘッド下面、１４ ピストン、１４ａ ピストン頂面、１６ 燃焼室、１８ 吸気ポート、２０ 排気ポート、２２ 吸気弁、２２ａ 吸気弁底面、２４ 排気弁、２４ａ 排気弁底面、２６ 冷却水ジャケット、３０ 構造体部品、３０ａ 壁面、３１ 粒子、３１ａ 中空部、３１ｂ 殻、３２ バインダ、２００ 遮熱膜（薄膜）。

Claims (8)

1. 中空粒状体を内部に分散させたバインダからなる遮熱膜であって、
   前記中空粒状体の殻は、前記バインダの弾性率よりも低い弾性率を有する材料で構成されていることを特徴とする遮熱膜。
2. 請求項１に記載の遮熱膜であって、
   前記中空粒状体の殻の縦弾性係数は、２４５ＧＰａより小さいことを特徴とする遮熱膜。
3. 請求項１又は２に記載の遮熱膜であって、
   前記中空粒状体の殻は、純度が９５重量％以上のシリカガラスであることを特徴とする遮熱膜。
4. 請求項３に記載の遮熱膜であって、
   前記中空粒状体の殻の縦弾性係数は、６５ＧＰａ以上９０ＧＰａ以下であることを特徴とする遮熱膜。
5. 基材上に遮熱膜を形成する方法であって、
   バインダの弾性率よりも低い弾性率を有する殻で囲まれた中空部を有する中空粒状体を含む前記バインダを基材上に塗布する塗布工程と、
   基材上に塗布された前記中空粒状体及び前記バインダを加熱して焼成する焼成工程と、
   を含むことで、
   前記中空粒状体を有する遮熱膜を基材上に形成することを特徴とする遮熱膜の形成方法。
6. 請求項５に記載の遮熱膜の形成方法であって、
   前記中空粒状体の殻の縦弾性係数は、２４５ＧＰａより小さいことを特徴とする遮熱膜の形成方法。
7. 請求項６又は７に記載の遮熱膜の形成方法であって、
   前記中空粒状体の殻は、純度が９５重量％以上のシリカガラスであることを特徴とする遮熱膜の形成方法。
8. 請求項７に記載の遮熱膜の形成方法であって、
   前記中空粒状体の殻の縦弾性係数は、６５ＧＰａ以上９０ＧＰａ以下であることを特徴とする遮熱膜の形成方法。

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