JP2016029292A - 断熱層の形成方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

【課題】中空粒子１２が規則的に密充填された断熱層を得る。
【解決手段】中空粒子を吸着する多数の真空引き用吸引口が規則的に配列された粒子吸着面２５を有する吸引部材２１に中空粒子１２を吸着させる工程Ａと、吸着された各中空粒子１２にバインダ１３を塗布する工程Ｂと、バインダ１３が塗布された中空粒子１２を真空引きの解除によって粒子吸着面２５から離脱させて基材１に付着させる工程Ｃとを備え、工程Ａ、Ｂ、Ｃを順に行なうサイクルを複数回繰り返すことによって、多数の中空粒子１２がバインダ１３を介して積み重なった断熱層を形成する。
【選択図】図４

Description

本発明は基材に断熱層を形成する方法及びその装置に関する。

エネルギーの供給を必要とする産業機器や民生機器では、エネルギー効率を高めるために、従来より各種の断熱材が使用され、また、断熱材の研究開発も行なわれている。例えば、自動車においては、エンジンの熱効率を高めるために、燃焼室の壁面に設ける断熱層の研究開発が進められている。排気系やＥＧＲクーラ等から廃熱を回収することも自動車の重要なニーズの一つであり、そのために効率の良い断熱材が求められている。

エンジンの燃焼室壁面に断熱層を設ける方法に関して、古くは、ＺｒＯ_２をはじめとする無機酸化物粒子をプラズマ溶射することが知られ、無機酸化物粒子として中空粒子を使用することも知られている。また、特許文献１には、無機酸化物の中空粒子とバインダ（例えばＳｉ系樹脂）を混合し、スプレー等によって上記燃焼室壁面に塗布することで、バインダ中に多数の中空粒子が分散してなる断熱層を形成することが記載されている。また、多数の中空粒子を断熱層内部に所定の間隔で規則的に配列することも、特許文献２に記載されているように知られている。この特許文献２には、単分散の球状粒子を溶液に分散させたものをゆっくり濾過することによって規則的に配列した球状粒子の堆積体を得ること、そして、その堆積体の間に液状バインダを流し込んで焼成することが記載されている。

特開２０１４−００１７１８号公報 ＷＯ２００９／０２０２０６号公報

上述の無機酸化物粒子のプラズマ溶射によって形成された断熱層はポーラスであるため、これを、例えばエンジンの燃焼室壁に設けると、燃焼室内に噴射された燃料が断熱層に浸み込むという問題がある。つまり、燃料が断熱層に浸み込むことによってエンジンの燃焼性が悪化し、ひいては燃費が悪化するという問題である。

これに対して、バインダ中に多数の中空粒子が分散してなる断熱層の場合は、燃料の浸み込みの問題は避けられるが、スプレー等による塗布方法では、中空粒子の分散がランダムになって断熱性能にバラツキが出やすい。また、断熱層における中空粒子の充填度が高くならず、そのため、高い断熱性能を有する断熱層が得られない。

特許文献２に記載された濾過法の場合、中空粒子を規則的に配列することが可能になるかもしれないが、ゆっくりした濾過及びバインダの流し込みに時間がかかり、また、特許文献２の図６Ａに示されているように、中空粒子の充填度もそれほど高くないと推測される。

そこで、本発明は、中空粒子が規則的に密充填された断熱層を得ることを課題とする。

本発明は、上記課題を解決するために、多数の中空粒子を真空引きによって吸引部材に規則的に配列した状態になるように吸着し、吸引部材から基材に移すという手法を繰り返すことにより、多数の中空粒子を規則的に積み重ねるようにした。以下、具体的に説明する。

ここに提示する断熱層の形成方法は、多数の中空粒子を有する断熱層を基材に形成する方法であって、
上記中空粒子を個々に吸着する多数の真空引き用吸引口が規則的に配列された粒子吸着面を有する吸引部材を用い、この吸引部材に上記中空粒子を吸着させる工程Ａと、
上記粒子吸着面に吸着された各中空粒子にバインダを塗布する工程Ｂと、
上記バインダが塗布された上記中空粒子を上記真空引きの解除によって上記粒子吸着面から離脱させて上記基材に付着させる工程Ｃとを備え、
上記工程Ａ、Ｂ、Ｃを順に行なうサイクルを複数回繰り返すことによって、多数の中空粒子が上記バインダを介して積み重なった断熱層を形成することを特徴とする。

この方法によれば、多数の中空粒子が規則的に配列され且つバインダを介して規則的に積み重なった断熱層を得ることができる。この断熱層では、中空粒子の充填度が高くなるため、断熱性能の向上に有利になる。しかも、真空引き、バインダの塗布及び真空引きの解除という単純工程の繰り返しで断熱層を形成することができるから、複雑な装置は不要であり、所要時間も長くならず、生産性の向上にも有利になる。

上記断熱層形成方法の好ましい態様は、上記工程Ａ、Ｂ、Ｃを順に行なうサイクルの２回目以降では、上記工程Ｃにおいて、各中空粒子の中心を上記基材に前回付着させた中空粒子の中心からずらすことを特徴とする。

この態様によれば、下段の配列された中空粒子間に、つまり、相隣る中空粒子の間にできる凹所に上段の中空粒子が載るため、中空粒子の充填度が高くなり、断熱性能の向上に有利になる。

上記断熱層形成方法の別の好ましい態様は、上記吸引部材が、上記吸引口として、大径中空粒子を吸着するための大径用吸引口と小径中空粒子を吸着するための小径用吸引口とを備え、
上記粒子吸着面において、上記大径用吸引口は正方格子状又は正三角格子状に配置され、上記小径用吸引口は当該格子の各すき間の中心に配置され、且つ上記粒子吸着面は凹凸を有し、上記小径用吸引口は上記大径用吸引口よりも奥まった位置に開口しており、
さらに、上記大径中空粒子と小径中空粒子は、上記大径用吸引口及び小径用吸引口各々に吸着された状態では、上記粒子吸着面を正面視したときに互いの一部が重なり合う寸法関係にあり、
上記工程Ａでは、上記小径中空粒子を吸着させた後に上記大径中空粒子を吸着させることを特徴とする。

この態様によれば、上記工程Ａ、Ｂ、Ｃを順に行なうサイクルの２回目以降の上記工程Ｃにおいて、大径中空粒子の中心が上記基材に前回付着させた大径中空粒子の中心の上に配置されるようにすると、大径用吸引口が正方格子状に配置されるケースでは、大径中空粒子が正四角柱の各頂点に配置され、小径中空粒子が当該正四角柱の体心位置に配置された体心正方格子構造となる。一方、大径用吸引口が正三角格子状に配置されるケースでは、大径中空粒子が正三角柱の各頂点に配置され、小径中空粒子が当該正三角柱の体心位置に配置された構造となる。

いずれのケースも、正四角柱又は正三角柱の体心位置に小径中空粒子が配置されることから、中空粒子の充填度が高くなり、断熱性能の向上に有利になる。

上記断熱層形成方法のさらに別の好ましい態様は、上記サイクルを複数回繰り返した後、最後に付着させた上記中空粒子の上から上記バインダを塗布する工程を備えていることを特徴とする。

この態様によれば、断熱層最上段の中空粒子がバインダで覆われた状態になるため、この最上段の中空粒子の剥落が防止され、また、断熱層の表面を平滑に仕上げることが容易になる。

本発明の別の態様は、基材に多数の中空粒子を有する断熱層の形成装置であって、
上記中空粒子を個々に吸着する多数の真空引き用吸引口が規則的に配列された粒子吸着面を有する吸引部材と、
上記吸引部材に接続された上記真空引きのための真空発生手段と、
上記粒子吸着面に吸着された各中空粒子にバインダを塗布するバインダ塗布手段と、
上記中空粒子を真空引きによって上記吸引部材に吸着させる工程と、該吸引部材に吸着された中空粒子に上記バインダを塗布する工程と、上記真空引きの解除によって上記バインダが塗布された中空粒子を上記吸引部材から離脱させて上記基材に載せる工程とが順に繰り返されるように、装置全体の動作を制御する制御部とを備えていることを特徴とする。

この断熱層の形成装置によれば、上記断熱層の形成方法に係る発明を実施して、多数の中空粒子が規則的に配列され且つバインダを介して規則的に積み重なった断熱層を得ることができ、中空粒子の充填度が高くなるため、断熱性能の向上に有利になる。しかも、装置構成が簡単であり、生産コスト低減に有利になる。

以上のように、本発明によれば、多数の中空粒子が規則的に配列され且つバインダを介して規則的に積み重なった断熱層を得ることができ、中空粒子の充填度が高くなるため、断熱性能の向上に有利になる。しかも、真空引き、バインダの塗布及び真空引きの解除という単純工程の繰り返しで断熱層を形成することができるから、複雑な装置は不要であり、所要時間も長くならず、生産性の向上にも有利になる。

本発明の一適用例としてのエンジンを示す断面図。 当該エンジンのピストンの頂部を示す断面図。 断熱層の一例を示す断面図。 断熱層形成装置の構成を示す図。 吸引部材の一例を示す平面図。 図５の吸引部材に吸着された中空粒子にバインダが塗布された状態を示す断面図。 吸引部材をずらした状態を示す平面図。 吸引部材の他の例を示す平面図。 吸引部材のさらに他の例を示す平面図。 図９の吸引部材に中空粒子が吸着された状態を示す断面図。 断熱層の他の例を示す断面図。

以下、本発明を実施するための形態を図面に基づいて説明する。以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。

＜本発明の適用例＞
この実施形態は、図１に示すエンジンのピストンに本発明に係る方法及び装置によって断熱層を形成する例である。

図１において、１は断熱層が形成される基材としてのアルミニウム合金製ピストン、２はシリンダブロック、３はシリンダヘッド、４はシリンダヘッド３の吸気ポート５を開閉する吸気バルブ、６は排気ポート７を開閉する排気バルブ、８は燃料噴射弁である。エンジンの燃焼室は、ピストン１の頂面、シリンダブロック２、シリンダヘッド３、吸排気バルブ４，６の傘部前面（燃焼室に臨む面）で形成される。ピストン１の頂面には、キャビティ９が形成されている。なお、点火プラグの図示は省略している。

図２に示すように、ピストン１の頂面のキャビティ９を形成する面に断熱層１１が形成されている。図３に示すように、断熱層１１は、無機酸化物よりなる多数の球状中空粒子１２がＳｉ系樹脂等よりなるバインダ１３中に分散してなる。その多数の中空粒子１２は、ピストン１の頂面に規則的に配列されているとともに、規則的に積み上げられている。相隣る中空粒子１２の間はバインダ１３によって埋められている。また、最上段の中空粒子１２の上側に、中空粒子１２の凹凸が表れないようにバインダ１３が厚く盛られ、それによって、断熱層１１の表面は平滑になっている。中空粒子１２の直径は例えば５μｍ〜５０μｍ程度、さらには２０μｍ〜３０μｍ程度とし、断熱層１１の厚さは例えば５０μｍ〜２００μｍ程度とすることが好ましい。

但し、上記数値範囲はエンジンの燃焼室の壁面に断熱層１１を設ける場合の好ましい範囲であって、限定的なものではない。また、燃焼室の壁面以外の機器等に断熱層を設ける場合は、中空粒子１２の直径及び断熱層１１の厚さは、さらに小さく、あるいは大きくすることもできる。

＜断熱層の成形装置＞
本発明は、多数の中空粒子１２をピストン１の頂面に規則的に配列させるために、中空粒子１２を真空引き方式の吸着手段に吸着させ、該吸着手段からピストン１の頂面に移すという手法をとる。

図４に示すように、断熱層１１を形成する成形装置は、中空粒子１２を規則的に配列した状態にして吸着させる吸引部材２１を備えているとともに、この吸引部材２１に中空粒子１２を吸着する吸着ステーション２２、吸引部材２１に吸着した中空粒子１２にバインダ１３を塗布する塗布ステーション２３と、バインダ１３が塗布された中空粒子１２をピストン１の頂面に付着させる付着ステーション２４とを備えている。

吸引部材２１の下面には中空粒子１２が吸着する粒子吸着面２５が設けられている。粒子吸着面２５は、ピストン１の頂面の形状に倣った形状に形成されている。図５に示すように、粒子吸着面２５には、中空粒子１２を個々に吸着する多数の真空引き用吸引口２６が規則的に配列されて開口している。本例の吸引部材２１には多数の吸引口２６が縦横に二次元正方格子状に並ぶように配置されている。吸引口２６の直径は例えば中空粒子１２の直径の１／５から２／３程度にすればよい。

図４に示すように、吸引部材２１は、各吸引口２６に真空引き用の負圧及び正圧を選択的に与えるためのエア通路を有するプレート２７に取り付けられている。プレート２７のエア通路にエア管２８が接続され、エア管２８に切換弁２９が接続され、切換弁２９に真空発生源（エジェクタ）３１とエア源（コンプレッサ）３２が接続されている。真空発生源３１とエア源３２がエア管２８に切換弁２９によって切り換えて接続されるようになっている。

ここで、吸引口２６に中空粒子１２を吸着するための真空圧力について説明する。中空粒子１２の直径が２５μｍであるとき、中空粒子１２の重量は例えば３×１０^−１１Ｎ〜４×１０^−１１Ｎ程度である。真空引きによるリフト力（吸着力）は、理論的には「吸引口の面積×真空圧力」で求まる。吸引口２６の面積が２×１０^−５ｍｍ（吸引口２６の直径が約５μｍ）であるとき、−１０ｋＰａの真空圧力でれば、２×１０^−７Ｎ程度のリフト力が得られ、直径２５μｍの中空粒子１２を持ち上げることができる。中空粒子１２の直径及びバインダ１３の付着両にもよるが、上記真空発生源３１による真空圧力は例えば−１０ｋＰａ〜−４０ｋＰａ程度に設定すればよい。

プレート２７に取り付けられた吸引部材２１は、吸着ステーション２２、塗布ステーション２３及び付着ステーション２４間を移動するものであり、そのための移動手段（図示省略）が設けられている。

吸着ステーション２２には、多数の中空粒子１２を収容した容器３３が設けられている。容器３３は、昇降手段（図示省略）により、図４に示す待機位置と吸引部材２１に中空粒子１２を吸着させる上昇位置の間で昇降する。吸引部材２１が吸着ステーション２２に移動したときに容器３３が上昇し、切換弁２９が真空発生源３１をエア管２８に接続し、真空発生源３１の作動により吸引部材２１の各吸引口２６に中空粒子１２が吸着される。

塗布ステーション２３には、第１バインダ塗布装置３４が設けられている。この塗布装置３４は、バインダ噴霧管３５を備え、このバインダ噴霧管３５にバインダ供給ホース３６が接続されている。バインダ噴霧管３５にはバインダ１３を吸引部材２１の中空粒子１２に吹き付けて塗布する複数の噴霧ノズル３７が設けられている。中空粒子１２を吸着した吸引部材２１が塗布ステーション２３に移動したときに、バインダ噴霧管３５は吸引部材２１に対して平行移動して中空粒子１２にバインダ１３を塗布する。

付着ステーション２４には、昇降台（図示省略）が設けられていて、この昇降台にピストン１がその頂面を上向きにして支持される。中空粒子１２を吸着した吸引部材２１が付着ステーション２４に移動したときに、ピストン１が上昇し、切換弁２９がエア源３２をエア管２８に接続し、エア源３２の作動により吸引部材２１の各吸引口２６に正圧が付与され（真空破壊）、バインダ１３が塗布された中空粒子１２が吸引部材２１の粒子吸着面２５から離脱してピストン１の頂面に付着する。

付着ステーション２４には、ピストン１の頂面に中空粒子１２を層状に付着させた後に、その上からバインダ１３を塗布するための第２バインダ塗布装置３８が横移動自在に設けられている。第２バインダ塗布装置３８は、第１バインダ塗布装置３４と同じく、バインダ噴霧管３５に噴霧ノズル３７が設けられたものである。

また、付着ステーション２４には、吸引部材２１に対するピストン１の位置を相対的に横にずらす変位手段（図示省略）が設けられている。この位置ずらしについては後述する。

当該断熱層の成形装置は、以下に説明する工程Ａ〜Ｃが順に繰り返され、さらに工程Ｄが実行されるように、装置全体の動作を制御する制御部（図示省略）を備えている。

＜断熱層の形成＞
−工程Ａ−
吸引部材２１を吸着ステーション２２に移動させ、容器３３内の中空粒子１２を粒子吸着面２５に真空引きによって吸着させる。粒子吸着面２５には多数の吸引口２６が規則的に配列して開口しているから、粒子吸着面２５には多数の中空粒子が規則的に配列されて吸着された状態になる。

−工程Ｂ−
中空粒子１２を吸着した吸引部材２１を塗布ステーション２３に移動させ、第１バインダ塗布装置３４によってバインダ１３を吸引部材２１の粒子吸着面２５に吹き付けて中空粒子１２に塗布する。これにより、図６に示すように、各中空粒子１２の下面側にバインダ１３が塗布された状態になる。

−工程Ｃ−
中空粒子１２にバインダ１３が塗布された吸引部材２１を付着ステーション２４に移動させ、エア源３２によって各吸引口２６に正圧を加えることにより（真空引きの解除）、中空粒子１２を粒子吸着面２５からピストン１の頂面に向けて離脱させる。これにより、ピストン１の頂面に多数の中空粒子１２が規則的に配列されて付着した状態になる。

−工程Ａ〜Ｃの繰り返し−
工程Ａ、Ｂ、Ｃを順に行なうサイクルを複数回繰り返すことによって、多数の中空粒子１２がバインダ１３を介して積み重なった状態にする。

−工程Ｄ−
最後のサイクルで付着させた最上段の中空粒子１２の上から第２バインダ塗布装置３８によってバインダ１３を吹き付けて塗布する。これにより、図３に示すように、中空粒子１２間にバインダ１３を充填するとともに、最上段の中空粒子１２の上側に、中空粒子１２の凹凸が表れないようにバインダ１３が厚く盛られた状態になり、断熱層１１の表面は平滑になる。

−工程Ｅ−
バインダ１３を焼成する。これにより、図３に示す断熱層１１が得られる。

＜２回目以降のサイクルの工程Ｃについて＞
２回目以降のサイクルの工程Ｃにおいては、ピストン１に対する吸引部材２１の位置をずらさずに、中空粒子１２を前回サイクルの中空粒子１２の上に配置してもよい。この場合は、図５に示す吸引口２６が正方格子状に配置されている例では、中空粒子１２が単純正方格子構造の各格子点に配置された断熱層が得られる。

また、２回目以降のサイクルの工程Ｃにおいては、ピストン１に対する吸引部材２１の位置を変位手段によってずらすこともできる。つまり、各中空粒子１２の中心が前回サイクルでピストン１の頂面に付着した相隣る中空粒子１２の間に配置されるように、ピストン１に対する吸引部材２１の位置をずらすというものである。

その一例を図５と図７に基いて説明する。この両図に示す線Ａ，Ｂはピストン１の頂面に係る直交する縦横の基準線である。図５は例えば前回サイクルにおける吸引部材２１の位置であり、縦基準線Ａが縦方向の２つの吸引口２６の列の中央を通り、横基準線Ｂが横方向の２つの吸引口２６の列の中央を通っている。図７は今回サイクルの吸引部材２１の位置であり、縦方向に並ぶ１つの吸引口２６の列が縦基準線Ａ上に配置され、横方向に並ぶ１つの吸引口２６の列が横基準線Ｂ上に配置されている。

要するに、図７は各吸引口２６の中心が前回サイクルの正方格子上で斜めに相隣る吸引口２６間の中央に位置するように、吸引部材２１を横方向に半ピッチ、縦方向に半ピッチそれぞれずらした、つまり、斜めにずらした例である。なお、ここでいう「ピッチ」は吸引口２６が縦横に並ぶピッチを意味する。図５の正方格子を基準にすれば、図７の各吸引口２６は図５の正方格子の各すき間の中心に配置されているということができる。

吸引部材２１をサイクル毎に図５に示す位置と図７に示す位置に交互にずらした場合、中空粒子１２が体心正方格子構造（或いは体心立方格子構造）の各格子点に配置された断熱層が得られる（図３参照）。

半径が等しい球状粒子の場合、単純立方格子構造での充填率は約５２vol％であり、体心立方格子構造での充填率は約６８％であるから、各サイクル毎に吸引部材２１をずらすと、中空粒子１２の充填密度が高くなることがわかる。

図８は各吸引口２６を正三角格子状に配置した吸引部材２１を示す。各サイクル毎にピストン１に対する吸引部材２１の位置をずらさない場合、中空粒子１２が単純六方格子構造の各格子点に配置された断熱層が形成される。これに対して、各サイクル毎にピストン１に対する吸引部材２１の位置を各吸引口２６が前回サイクルの正三角格子の各すき間の中心にくるようにずらす（各中空粒子１２が前回サイクルで正三角格子状に付着させた最小単位の３個の中空粒子１２の中心に配置されるようにする）と、中空粒子１２が最密六方格子構造の各格子点に配置された断熱層が形成される。その結果、単純六方格子構造の場合に比べて、中空粒子１２の充填密度が高くなる。

＜大径中空粒子と小径中空粒子の使用＞
図９に示す吸引部材２１は、図１０に示す球状の大径中空粒子４１を吸着するための大径用吸引口４２と球状の小径中空粒子４３を吸着するための小径用吸引口４４とを備えている。大径用吸引口４２は当該吸引部材２１の粒子吸着面２５に二次元正方格子状に配置されて開口し、小径用吸引口４４は当該正方格子の各すき間の中心に配置されて粒子吸着面２５に開口している。図９では小径用吸引口４４の口径が大径用吸引口４２の口径よりも小さくなっているが、両吸引口４２，４４の口径は同じであってもよい。

図９に鎖線で示すように、大径中空粒子４１と小径中空粒子４３は、大径用吸引口４２及び小径用吸引口４４各々に吸着された状態では、粒子吸着面２５を正面視したときに互いの一部が重なり合う寸法関係にある。そのため、粒子吸着面２５は凹凸を有し、小径用吸引口４４は大径用吸引口４２よりも奥まった位置に開口している。

吸引部材２１を取り付けるプレートには、大径用吸引口４２に連通するエア通路と小径用吸引口４４に連通するエア通路が形成され、各エア通路に大径用エア管と小径用エア管が接続される。両エア管が真空発生源３１及びエア源３２に切換弁を介して接続される。切換弁は、小径用エア管のみに負圧を及ぼす状態から大径用及び小径用の両エア管に負圧を及ぼす状態に切り換え可能であり、また、両エア管に負圧を及ぼす状態から両エア管に正圧を及ぼす状態に切り換え可能である。

上記工程Ａでは、吸着ステーション２２に大径中空粒子４１を収容する容器と小径中空粒子４３を収容する容器を設けておき、小径用吸引口４４のみに負圧を及ぼして小径中空粒子４３を小径用吸引口４４に吸着させた後、大径用及び小径用の両吸引口４２，４４に負圧を及ぼして大径中空粒子４１を大径用吸引口４２に吸着させる。

上記工程Ｂでは、第１バインダ塗布装置３４によってバインダ１３を吸引部材２１の粒子吸着面２５に吹き付けて大径中空粒子４１及び小径用中空粒子４３に塗布する。

上記工程Ｃでは、エア源３２によって各吸引口４２，４４に正圧を加えることにより（真空引きの解除）、大径及び小径の中空粒子４１，４３を粒子吸着面２５からピストン１の頂面に向けて離脱させ、ピストン１の頂面に付着させる。

工程Ａ、Ｂ、Ｃを順に行なうサイクルを複数回繰り返すことによって、多数の中空粒子４１，４２がバインダ１３を介して積み重なった状態にする。最後に第２バインダ塗布装置３８によってバインダ１３を吹き付けて塗布し、バインダ１３を焼成して断熱層を得る。

２回目以降のサイクルの工程Ｃにおいては、ピストン１に対する吸引部材２１の位置をずらさずに、大径中空粒子４１が前回サイクルの大径中空粒子４１の上に、小径中空粒子４３が前回サイクルの小径中空粒子４３の上に配置されるようにしてもよい。最後のサイクルにおいて、図５に示す吸引部材２１を用いて大径中空粒子４１が一つ前のサイクルの大径中空粒子４１の上に配置されるようにすると、図１１に示す大径中空粒子４１が単純正方格子構造又は単純立方格子構造の各格子点に配置され、小径中空粒子４３が当該単純正方格子構造又は単純立方格子構造の体心位置のすき間に配置された断熱層が得られる。

半径が等しい球状粒子の場合、単純立方格子構造の充填率は約５２vol％であり、その球状粒子の直径をＲとすると、その体心位置の隙間に入ることが可能な球状粒子の最大直径はＲの約０．７３倍であり、その場合の充填率は約７３％になる。小径中空粒子４３の直径は当該最大直径にする必要はなく、当該最大直径の例えば０．７倍〜１．１倍程度にすればよく、これにより、断熱層における中空粒子の充填率を高めることができる。

ところで、球状粒子の体心立方格子型充填構造では、四面体格子間サイトと八面体格子間サイトの２種類の格子間隙間がある。従って、大径中空粒子４１を体心立方格子構造の格子点に配置し、小径中空粒子４３を格子間サイトに配置するようにすれば、図３に示す例よりもさらに中空粒子の充填率が高い断熱層を形成することができる。

そのためには、例えば、格子点に配置すべき大径中空粒子４１を吸着する大径用吸引口を図９に示す吸引部材２１と同様に正方格子状に配置し、格子間サイトに配置すべき小径中空粒子４３を吸着する小径用吸引口に当該格子間サイトに対応する位置に配置した吸引部材を準備し、サイクル毎に吸引部材をずらして中空粒子を積み重ねて行くようにすればよい。その吸引部材をずらす手法は図５及び図７に基いて説明した方法と同じである。これにより、複数の格子間サイトに小径中空粒子を配置した体心立方格子構造型の断熱層を形成することができる。

また、格子間サイトへの小径中空粒子４３の配置は面心立方格子型の充填構造でも可能である。すなわち、面心立方格子型においても、四面体格子間サイトと八面体格子間サイトの２種類の格子間隙間がある。従って、大径中空粒子４１を面心立方格子構造の格子点に配置し、小径中空粒子４３を格子間サイトに配置するようにすれば、中空粒子の充填率が高い断熱層を形成することができる。

面心立方格子構造は最密六方格子構造と同じであるから、図８に示す吸引口２６が正三角格子状に配置された吸引部材２１において、その吸引口２６を大径中空粒子用の吸引口とし、当該粒子吸着面２５に、格子間サイトに配置すべき小径中空粒子４３を吸着する小径用吸引口をさらに設け、サイクル毎に吸引部材をずらして中空粒子を積み重ねて行くようにすればよい。これにより、複数の格子間サイトに小径中空粒子を配置した最密立方格子構造型又は面心立方格子構造型の断熱層を形成することができる。

体心立方格子構造において、八面体格子間に入る小径中空粒子４３の直径は、最大で大径中空粒子４１の直径の約０．３０９倍である。面心立方格子構造において、八面体格子間に入る小径中空粒子４３の直径は、最大で大径中空粒子４１の直径の約０．４１４倍であり、四面体格子間に入る小径中空粒子４３の直径は、最大で大径中空粒子４１の直径の約０．２２４倍である。

小径中空粒子４３の直径は、格子間に入ることが可能な最大直径にする必要はなく、当該最大直径の例えば０．７倍〜１．１倍程度にすればよい。大径中空粒子４１の直径は例えば２０μｍ〜５０μｍ程度、さらには２０μｍ〜３０μｍ程度とすればよい。

なお、上記実施形態では、バインダ１３が中空粒子間を隙間なく埋めているが、中空粒子間に隙間が形成されていてもよい。

上記実施形態では、サイクル毎に中空粒子の付着位置をずらす場合に吸引部材をずらすようにしたが、吸引口の配置が異なる２つ以上の吸引部材を選択的に使用することによって（例えば、２種の吸引部材を交互に用いることによって）、サイクル毎に中空粒子の付着位置をずらすようにしてもよい。

また、本発明は、上記エンジンの燃焼室壁面に限らず、エンジンの排気系やＥＧＲクーラ等に断熱層を形成するケースにも適用することができ、その他の産業機器や民生機器にも適用することができる。

１ ピストン（基材）
１１ 断熱層
１２ 中空粒子
１３ バインダ
２１ 吸引部材
２５ 粒子吸着面
２６ 吸引口
４１ 大径中空粒子
４２ 大径用吸引口
４３ 小径中空粒子
４４ 小径用吸引口
３１ 真空発生源（真空発生手段）
３４ 第１バインダ塗布装置（バインダ塗布手段）
３８ 第２バインダ塗布装置（バインダ塗布手段）

Claims (5)

1. 多数の中空粒子を有する断熱層を基材に形成する方法であって、
   上記中空粒子を個々に吸着する多数の真空引き用吸引口が規則的に配列された粒子吸着面を有する吸引部材を用い、この吸引部材に上記中空粒子を吸着させる工程Ａと、
   上記粒子吸着面に吸着された各中空粒子にバインダを塗布する工程Ｂと、
   上記バインダが塗布された上記中空粒子を上記真空引きの解除によって上記粒子吸着面から離脱させて上記基材に付着させる工程Ｃとを備え、
   上記工程Ａ、Ｂ、Ｃを順に行なうサイクルを複数回繰り返すことによって、多数の中空粒子が上記バインダを介して積み重なった断熱層を形成することを特徴とする断熱層の形成方法。
2. 請求項１において、
   上記工程Ａ、Ｂ、Ｃを順に行なうサイクルの２回目以降では、上記工程Ｃにおいて、各中空粒子の中心を上記基材に前回付着させた中空粒子の中心からずらすことを特徴とする断熱層の形成方法。
3. 請求項１において、
   上記吸引部材は、上記吸引口として、大径中空粒子を吸着するための大径用吸引口と小径中空粒子を吸着するための小径用吸引口とを備え、
   上記粒子吸着面において、上記大径用吸引口は正方格子状又は正三角格子状に配置され、上記小径用吸引口は当該格子の各すき間の中心に配置され、且つ上記粒子吸着面は凹凸を有し、上記小径用吸引口は上記大径用吸引口よりも奥まった位置に開口しており、
   さらに、上記大径中空粒子と小径中空粒子は、上記大径用吸引口及び小径用吸引口各々に吸着された状態では、上記粒子吸着面を正面視したときに互いの一部が重なり合う寸法関係にあり、
   上記工程Ａでは、上記小径中空粒子を吸着させた後に上記大径中空粒子を吸着させることを特徴とする断熱層の形成方法。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれか一において、
   上記サイクルを複数回繰り返した後、最後に付着させた上記中空粒子の上から上記バインダを塗布する工程を備えていることを特徴とする断熱層の形成方法。
5. 基材に多数の中空粒子を有する断熱層を形成するための装置であって、
   上記中空粒子を個々に吸着する多数の真空引き用吸引口が規則的に配列された粒子吸着面を有する吸引部材と、
   上記吸引部材に接続された上記真空引きのための真空発生手段と、
   上記粒子吸着面に吸着された各中空粒子にバインダを塗布するバインダ塗布手段と、
   上記中空粒子を真空引きによって上記吸引部材に吸着させる工程と、該吸引部材に吸着された中空粒子に上記バインダを塗布する工程と、上記真空引きの解除によって上記バインダが塗布された中空粒子を上記吸引部材から離脱させて上記基材に載せる工程とが順に繰り返されるように、装置全体の動作を制御する制御部とを備えていることを特徴とする断熱層の形成装置。

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