JP2020076321A - 内燃機関の遮熱コーティングおよび遮熱コーティングの形成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】遮熱性と強度に優れる遮熱コーティングを提供する。【解決手段】遮熱コーティングは、(i)シリカエアロゲルの粒子（二次粒子）と、(ii)シリカ系のバインダと、から構成される。遮熱コーティングのコート厚は、数１０〜数１００μｍである。シリカエアロゲルの粒子径は、下限Ｒｍｉｎ〜上限Ｒｍａｘの範囲に分布している。下限Ｒｍｉｎは、１０ｎｍである。上限Ｒｍａｘは、遮熱コーティングのコート厚と等しい。【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関の遮熱コーティング（heat insulation coating）、および、その遮熱コーティングの形成方法に関する。

国際公開第２００９／０２０２０６号は、遮熱コーティングを備える内燃機関を開示する。遮熱コーティングは、燃焼室の壁面に形成される。遮熱コーティングは、第１および第２断熱材から構成されている。第１断熱材は、シリカエアロゲルといった遮熱性の高い材料から構成されている。第２断熱材は、セラミックス、有機ケイ素化合物といった強度の高い材料から構成されている。したがって、この遮熱コーティングは、遮熱性および強度に優れている。

また、この国際公報は、第１断熱材の粒径を不揃いにし、遮熱コーティングの位置に応じて膜全体に対する第１断熱材の混入割合を変更する例を開示する。混入割合が変われば、遮熱コーティングの位置に応じて遮熱性および強度が変わる。したがって、遮熱性が要求される位置では混入割合を増やし、強度が要求される位置ではこれを減らすといった微調整が可能になる。

国際公開第２００９／０２０２０６号 特開２０１７−０３１３８６号公報

しかしながら、遮熱性を高めるべく混入割合を増やせば、その分だけ強度が下がる。そのため、混入割合を大幅に増やすことは現実的には難しい。また、強度を高めるべく混入割合を減らせば、その分だけ遮熱性が下がってしまい、遮熱コーティングの本来の目的を果たすことが難しくなる。このように、最適な混入割合を決めるためには、避けて通ることのできない現実的な問題がある。また、コーティングの対象が燃焼室の壁面という狭い範囲であることを考えると、遮熱コーティングの位置に応じて混入割合を変えるという微調整を行うこと自体が現実的に難しい。

本発明の１つの目的は、遮熱性と強度に優れる遮熱コーティングを提供することにある。本発明の別の目的は、実用性のある遮熱コーティングの形成方法を提供することにある。

第１の発明は、内燃機関の遮熱コーティングであり、次の特徴を有する。
前記遮熱コーティングは、燃焼室の壁面に所定厚さで形成される。
前記遮熱コーティングは、粒子径が所定範囲に分布するシリカエアロゲルの粒子と、前記シリカエアロゲルの粒子同士を結合するシリカ系のバインダと、を含む。
前記所定範囲の下限は、数１０ｎｍである。
前記所定範囲の上限が、１０μｍ以上であり、尚且つ、前記所定厚さと等しい。

また、第２の発明は、第１の発明において、更に次の特徴を有する。
前記シリカエアロゲルの粒子は、粒子径が数１００ｎｍよりも小さい小径群と、粒子径が数１００ｎｍよりも大きい大径群と、から構成される。
前記小径群に属するシリカエアロゲルの粒子総数が、前記大径群に属するそれの１０の４乗〜１０の５乗倍である。

また、第３の発明は、第１または第２の発明において、更に次の特徴を有する。
前記シリカエアロゲルの粒子および前記シリカ系のバインダは内層を構成する。
前記内層の表面には、前記シリカエアロゲルの粒子間に形成された開孔が形成されている。
前記表面には、前記開孔を封じるシリカ系の外層が形成されている。

また、第４の発明は、第１乃至第３の発明の何れかにおいて、更に次の特徴を有する。
前記遮熱コーティングは、前記シリカエアロゲルの粒子間に形成された隙間に設けられる粒子状非晶質シリカを更に含む。

また、第５の発明は、内燃機関の遮熱コーティングの形成方法であり、次の特徴を有する。
前記形成方法は、
調製されたシリカエアロゲルの粒子から、粒子径が所定範囲に属する粒子を分級する工程と、
分級されたシリカエアロゲルの粒子と、ケイ酸系無機バインダの水溶液とを含むスラリーを調製する工程と、
調製されたスラリーを前記壁面に塗布する工程と、
を備える。
前記所定範囲の下限は、数１０ｎｍである。
前記所定範囲の上限が、１０μｍ以上であり、尚且つ、前記所定厚さと等しい。

また、第６の発明は、第５の発明において、次の特徴を有する。
前記スラリーが、粒子径が数１０〜数１００ｎｍの粒子状非晶質シリカを更に含む。

また、第７の発明は、第５または第６の発明において、次の特徴を有する。
前記形成方法は、前記シリカエアロゲルの粒子を分級する工程と、前記スラリーを調製する工程との間に、分級されたシリカエアロゲルの粒子を疎水化処理する工程を更に備える。

第１の発明によれば、遮熱コーティングに含まれるシリカエアロゲルの粒子径が所定範囲に分布する。所定範囲の下限は数１０ｎｍであり、所定範囲の上限は少なくとも１０μｍ以上である。つまり、遮熱コーティングには、大小様々な粒子径の粒子が混在する。大小様々な粒子径の粒子が混在する場合は、粒子径が均一の粒子のみが存在する場合に比べて、遮熱コーティング中の粒子の充填率を高めることが可能となる。そして、粒子の充填率が高くなれば、シリカエアロゲルに由来する高い遮熱性を有する遮熱コーティングの強度を高めることができる。

第２の発明によれば、小径群に属するシリカエアロゲルの粒子総数と、大径群に属するそれの１０の４乗〜１０の５乗倍となる。粒子総数の関係がこのような関係にあると、大径群に属する粒子間に形成された隙間に、小径群に属する粒子が入り込んだ緻密な構造が形成される。そのため、粒子の充填率を一層高めることが可能となる。したがって、遮熱コーティングの強度を一層高めることができる。

第３の発明によれば、最表面がシリカ系の外層で構成される。シリカエアロゲルの粒子間には、開孔が形成されている。この開孔が露出していると、外部のガスが開孔を介して遮熱コーティングの内部に入り込むことができてしまう。この点、最表面がシリカ系の外層で構成されていれば、ガスバリア性を付与することができる。

第４の発明によれば、シリカエアロゲルの粒子間に形成された隙間に、粒子状非晶質シリカが設けられる。粒子状非晶質シリカが集合した構造体は、シリカエアロゲルの粒子が集合した構造体よりも気孔率が低い。気孔率が相対的に低いということは、構造体としては相対的に頑丈であることを意味する。したがって、遮熱コーティングの強度を一層高めることができる。

第５の発明によれば、粒子径が所定範囲に属する粒子を分級する工程によって、大小様々な粒子径の粒子が混在する遮熱コーティングを形成することができる。シリカエアロゲルの粒子の分級自体は複雑な工程ではないことから、実用性の面で問題が生じることはない。また、所定範囲の上限は所定厚さと等しい。したがって、遮熱コーティングの表面にシリカエアロゲルの粒子のサイズに起因した凹凸が生じ、その結果表面積が増えることによって熱流量が増加するのを未然に防ぐことができる。

第６の発明によれば、粒子径が数１０〜数１００ｎｍの粒子状非晶質シリカがスラリーに追加される。上述したように、粒子状非晶質シリカが集合した構造体は、シリカエアロゲルの粒子が集合した構造体よりも頑丈である。したがって、遮熱コーティングの強度を高めることができる。

第７の発明によれば、スラリーを調製する工程の前に、分級されたシリカエアロゲルの粒子の疎水化処理が行われる。疎水化処理が行われると、スラリーを調製する工程において、シリカエアロゲルの粒子が有する空隙にバインダ成分が入り込むのを抑えることができる。したがって、空隙が塞がれてしまうのを抑えることができる。

本発明の実施の形態に係る遮熱コーティングが適用される内燃機関の構成例を説明する図である。 遮熱コーティングＨＣの第１の構成例を説明する模式図である。 シリカエアロゲルの構造体の模式図である。 シリカエアロゲルの二次粒子の粒度分布の一例を示した図である。 遮熱コーティングＨＣの第２の構成例を説明する模式図である。 遮熱コーティングＨＣの第３の構成例を説明する模式図である。 本発明の実施の形態に係る遮熱コーティングの熱特性データを示す図である。 本発明の実施の形態に係る遮熱コーティングの形成方法の流れを説明する図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。また、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

先ず、本発明に係る内燃機関の遮熱コーティングの実施の形態について、図１乃至図７を参照しながら説明する。

１．内燃機関の構成例
図１は、本実施の形態に係る遮熱コーティングが適用される内燃機関（以下、「エンジン」ともいう。）の構成例を説明する図である。図１に示すエンジン１０は、車両に搭載される圧縮自着火式のエンジンである。ただし、エンジンの構成は特に限定されず、火花点火式のエンジンに遮熱コーティングを適用してもよい。

図１に示すように、エンジン１０は、シリンダヘッド１２と、シリンダブロック１４と、ピストン１６と、を備えている。シリンダヘッド１２は、シリンダブロック１４にガスケット（不図示）を介して取り付けられている。ピストン１６は、シリンダブロック１４に形成されるシリンダ内を上下方向に移動する。

シリンダヘッド１２の底面１８と、シリンダブロック１４の内周面２０と、ピストン１６の頂面２２と、で囲まれるスペースは、燃焼室２４を形成する。つまり、燃焼室２４の壁面は、底面１８と、内周面２０と、頂面２２とから構成される。頂面２２の中心部には、キャビティ２６が形成されている。キャビティ２６も燃焼室２４の一部である。

図１において、底面１８および頂面２２には、遮熱コーティングＨＣが形成されている。ただし、遮熱コーティングＨＣは、底面１８および頂面２２の一方にのみ形成されていてもよい。また、遮熱コーティングＨＣは、底面１８および頂面２２に加えて、内周面２０に形成されていてもよい。つまり、遮熱コーティングＨＣは、底面１８、内周面２０および頂面２２の少なくとも１つに形成されていてもよい。

２．遮熱コーティングの構成例
遮熱コーティングＨＣは、シリカエアロゲルの粒子と、シリカ系のバインダと、を含む。シリカエアロゲルの粒子径は、所定範囲に分布している。シリカ系のバインダは、シリカエアロゲルの粒子同士を結合する。

２．１ 第１の構成例
図２は、遮熱コーティングＨＣの第１の構成例を説明する模式図である。図２に示すように、遮熱コーティングＨＣは、母材の表面に形成されている。この母材は、燃焼室２４の壁面を構成する部材である。母材としては、アルミニウム系合金、鉄系合金が例示される。図２に示す遮熱コーティングＨＣは、(i)シリカエアロゲルの粒子と、(ii)シリカ系のバインダと、から構成される。遮熱コーティングＨＣの厚さ（以下、「コート厚Ｔ_ＨＣ」ともいう。）は、数１０〜数１００μｍである。

(i) シリカエアロゲル
シリカエアロゲル（silica aerogel）は、ゲル中に含まれる溶媒が乾燥により気体に置換されたシリカゲルの低密度の構造体（乾燥ゲル）である。シリカエアロゲルは、超臨界乾燥法を用いて得られる。ただし、本明細書におけるシリカエアロゲルは、蒸発乾燥法を用いて得られるシリカキセロゲル（silica xerogel）、または、凍結乾燥法を用いて得られるシリカクライオゲル（silica cryogel）を含んでいてもよい。

図３は、シリカエアロゲルの構造体３０の模式図である。図３に示すように、構造体３０は、粒子３２の集合体から構成される。粒子３２は、数ｎｍ程度の平均粒子径を有するシリカ（ＳｉＯ_２）の一次粒子３４が集合して形成される二次粒子である。

以下では、粒子３２を「二次粒子３２」ともいう。なお、本明細書においては「一次粒子」および「二次粒子」が登場するが、特段の断りなく使用される「粒子」および「粒子径」は、「二次粒子」および「二次粒子径」を指すものとする。二次粒子３２の平均粒子径は、数１００〜数１０００ｎｍである。二次粒子３２の粒子間には、数１０ｎｍの空隙３６が形成されている。空隙３６が形成されることで、構造体３０は三次元の網目構造を有する。

空隙３６には、気体が入ることができる。しかしながら、空隙３６同士は必ずしも繋がっていない。また、空隙３６同士が繋がることで内部通路が形成されているとしても、この内部通路は複雑に構成されることになる。そのため、構造体３０内の気体移動は、基本的には阻害される。

したがって、構造体３０の構成によれば、遮熱コーティングＨＣの熱伝導率を低いレベルに低下させることができる。また、遮熱コーティングＨＣの単位体積当たりの熱容量（容積熱容量）を低いレベルに低下させることもできる。つまり、構造体３０の構成によれば、遮熱コーティングＨＣに高い遮熱性を付与することができる。

構造体３０と同等の遮熱性を示す他のシリカ系構造体として、中空シリカビーズが集合した構造体が例示される。中空シリカビーズは、その内部に空隙を有している。そのため、構造体全体として高い遮熱性を示す。しかしながら、サイズの大きいビーズが何らかの原因で割れてしまうと、構造体の強度が低下する懸念がある。

この点、構造体３０では、二次粒子３２のサイズと空隙３６のサイズの間に相関はない。つまり、二次粒子３２のサイズが大きくなると、二次粒子３２が有する空隙３６の総数が増えるものの、個々の空隙３６のサイズは概ね一定（すなわち、数１０ｎｍ）である。したがって、構造体３０によれば、中空シリカビーズの構造体を使用する場合に比べて、遮熱コーティングＨＣの信頼性を向上することもできる。

図４は、二次粒子３２の粒子径の分布（粒度分布）の一例を示した図である。図４に示すように、二次粒子３２の粒子径は、下限Ｒｍｉｎ〜上限Ｒｍａｘの範囲に分布する。

下限Ｒｍｉｎは、１０ｎｍである。下限Ｒｍｉｎが小さい値であるほど遮熱コーティングＨＣ中の二次粒子の充填率が上昇する。ただし、下限Ｒｍｉｎよりも小さい極小径の二次粒子は、重力よりもファンデルワールス力の影響を強く受ける。そのため、極小径の二次粒子は、粒子同士で凝集し易い。そうすると、スラリーの調製中において、二次粒子の分散性が低下する。このような理由から、下限Ｒｍｉｎを下回る粒子径の二次粒子は、構造体３０に含まれていない。

上限Ｒｍａｘは、遮熱コーティングＨＣのコート厚Ｔ_ＨＣと等しい。上限Ｒｍａｘがコート厚Ｔ_ＨＣを上回ると、遮熱コーティングＨＣの表面に二次粒子のサイズに起因した凹凸が生じ、その結果表面積が増えることによって熱流量が増加する。そうすると、遮熱コーティングＨＣの遮熱性が低下してしまう。この問題は、遮熱コーティングＨＣの表面を平滑化処理すれば解決することが可能である。しかしながら、平滑化処理を行えば工数の増加が避けられない。また、平滑化処理の際に網目構造が損傷する可能性がある。これらの理由から、上限Ｒｍａｘを上回る粒子径の二次粒子は、構造体３０に含まれていない。

ここで、図４の横軸は対数軸である。図４の横軸において、境界値（数１００ｎｍ）よりも小径の二次粒子３２の群を小径群Ｇ_Ｓと表現し、境界値よりも大径の二次粒子３２の群を大径群Ｇ_Ｌと表現する。この境界値は、最頻値Ｒｍｏｄｅよりも大きな値である。境界値は、一例として、二次粒子３２の平均粒子径である。そうすると、小径群Ｇ_Ｓに属する二次粒子３２の粒子総数Ｎ_ＧＳは、大径群Ｇ_Ｌに属する粒子総数Ｎ_ＧＬの１０の４乗〜１０の５乗倍であることが望ましい。

粒子総数Ｎ_ＧＳが粒子総数Ｎ_ＧＬの１０の４乗〜１０の５乗倍であると、大径群Ｇ_Ｌに属する二次粒子３２間に形成された隙間に、小径群Ｇ_Ｓに属する二次粒子３２が入り込んだ緻密な構造が形成される。そのため、二次粒子３２の充填率を一層高めることができる。したがって、遮熱コーティングＨＣの強度を一層高めることができる。

なお、二次粒子３２の粒度分布は、レーザー回折・散乱式の粒度分布測定装置により測定することができる。

また、粒子総数Ｎ_ＧＳおよびＮ_ＧＬは、スラリーを調製する前のシリカエアロゲルに基づいて推定することができる。例えば、シリカエアロゲルの粒子を分級法により小径群Ｇ_Ｓおよび大径群Ｇ_Ｌに区分し、各種の計測法と組み合わせることで両区分に属する粒子総数を測定する。各種の計測法としては、小角Ｘ線散乱法（ＳＡＸＳ）、動的光散乱法（ＤＬＳ）が例示できる。走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を分級法と組み合わせてもよい。

(ii) シリカ系のバインダ
シリカ系のバインダは、ケイ酸系無機バインダの水溶液の熱処理によって得られる。ケイ酸系無機バインダは、シリカエアロゲルの粒子間（つまり、二次粒子３２の粒子間）に浸透する。熱処理によってバインダ成分が硬化すると、シリカエアロゲルの粒子同士がバインダ成分を介して結合する。

ケイ酸系無機バインダとしては、ケイ酸塩の水溶液を陽イオン交換樹脂で処理して脱アルカリ（Ｎａイオンの除去等）したものが例示される。ケイ酸塩としては、ケイ酸ナトリウム（水ガラス）、ケイ酸カリウムといったアルカリ金属ケイ酸塩、第４級アンモニウムシリケートといった有機塩基のケイ酸塩が例示される。

２．２ 第２の構成例
図５は、遮熱コーティングＨＣの第２の構成例を説明する模式図である。図５に示すように、遮熱コーティングＨＣは、母材の表面に形成されている。図５に示す遮熱コーティングＨＣは、(i)シリカエアロゲルの粒子と、(ii)シリカ系のバインダと、から構成される。ここまでは、第１の構成例と同じである。

第２の構成例では、(i)シリカエアロゲルの粒子と、(ii)シリカ系のバインダとが内層ＩＬを構成する。そして、この内層ＩＬの上に、外層ＯＬが設けられる。外層ＯＬは、遮熱コーティングＨＣの最表面を構成する。内層ＩＬのコート厚Ｔ_ＩＬは、コート厚Ｔ_ＨＣと同程度である（すなわち、数１０〜数１００μｍ）。外層ＯＬのコート厚Ｔ_ＯＬは、数１０μｍである。

内層ＩＬの表面には、(i)シリカエアロゲルの粒子間に形成された開孔が形成される。外層ＯＬは、この開孔を封じる目的で形成される。外層ＯＬは、ケイ素系化合物を含む水溶液を、内層ＩＬの表面に塗工することにより形成される。ケイ素系化合物としては、ポリシラザン化合物、ポリシロキサンが例示される。

開孔が露出している場合、混合気の燃焼により生じたガス（燃焼ガス）が開孔を介して遮熱コーティングＨＣの内部に入り込むことができてしまう。この点、外層ＯＬが最表面に形成されていることで、遮熱コーティングＨＣのガスバリア性を向上できる。また、外層ＯＬが形成されていることで、最表面の表面粗度を向上することも可能となる。

２．３ 第３の構成例
図６は、遮熱コーティングＨＣの第３の構成例を説明する模式図である。図６に示すように、遮熱コーティングＨＣは、母材の表面に形成されている。ここまでは、第１の構成例と同じである。

第３の構成例では、遮熱コーティングＨＣが、(i)シリカエアロゲルの粒子と、(ii)シリカ系のバインダと、(iii)粒子状非晶質シリカと、から構成される。(iii)粒子状非晶質シリカの粒子は、(i)シリカエアロゲルの粒子間に形成される隙間に配置されている。(iii)粒子状非晶質シリカは、(i)シリカエアロゲルの粒子の一部に置き換わる形で設けられている。

(iii) 粒子状非晶質シリカ
粒子状非晶質シリカは、シリカエアロゲルの原料としても使用される非晶質シリカの一種である。粒子状非晶質シリカとしては、フュームドシリカが例示される。フュームドシリカは、Ｈ_２とＯ_２の混合ガスを燃焼させた１１００〜１４００℃の炎によってＳｉＣｌ_４ガスを加水分解することにより得られる。フュームドシリカは、５〜５０ｎｍの平均粒子径を有するシリカの一次粒子が集合して形成される二次粒子である。二次粒子の平均粒子径は、数１０〜数１００ｎｍである。

製造過程の違いにより、粒子状非晶質シリカが集合した構造体の気孔率は、シリカエアロゲルの構造体（つまり、構造体３０）のそれよりも低くなる。具体的には、シリカエアロゲルの構造体の気孔率が９０％以上であるのに対し、粒子状非晶質シリカの構造体のそれは８０〜９０％である。

気孔率が相対的に低いということは、構造体としては相対的に頑丈であることを意味する。また、気孔率が相対的に低いとはいえども、両者の構造体の気孔率の差は僅かである。したがって、粒子状非晶質シリカを用いる第３の構成例によれば、遮熱コーティングＨＣの遮熱性を殆ど低下させることなく、その強度を高めることが可能となる。

３．遮熱コーティングによる効果
本実施の形態に係る遮熱コーティングによれば、シリカエアロゲルの二次粒子の粒子径が下限Ｒｍｉｎ〜上限Ｒｍａｘの広い範囲に分布している。粒子径が下限Ｒｍｉｎ〜上限Ｒｍａｘの広い範囲に分布しているということは、大小様々な粒子径の二次粒子が混在しているということを意味する。大小様々な粒子径の二次粒子が混在していれば、粒子径が均一の二次粒子のみが存在する場合に比べて、遮熱コーティング中の二次粒子の充填率を向上させることが可能となる。

極小径の二次粒子のみを使用すれば、遮熱コーティング中の二次粒子の充填率は確かに向上する。しかしながら、極小径の二次粒子を準備することは、製造コストの増加に繋がるため望ましくない。この点、本実施の形態に係る遮熱コーティングによれば、そのような準備が不要である。したがって、製造コストを抑えつつ、遮熱コーティング中の二次粒子の充填率を向上させることが可能となる。

そして、遮熱コーティング中の二次粒子の充填率が向上すれば、シリカエアロゲルの構造体の強度を高めつつ、この構造体に由来する高い遮熱性を遮熱コーティングに付与することができる。

図７は、本実施の形態に係る遮熱コーティングの熱特性データを示す図である。図７のデータは、第１の構成例に相当する遮熱コーティングのサンプルを用いて得られたものである。図７に示すように、遮熱コーティングの容積熱容量は、各温度において比較対象の合金（アルミニウム系合金、鉄系合金）およびジルコニアよりも低くなる。遮熱コーティングの熱伝導率は、各温度において比較対象の合金よりも低くなる。つまり、遮熱コーティングによれば、比較対象の合金よりも低い容積熱容量と低い熱伝導率を、各温度において実現することができる。

容積熱容量と熱伝導率が低いということは、燃焼室内の作動ガスの温度に、遮熱コーティングの温度を追従させることができるということを意味する。即ち、エンジンの膨張行程では、上昇する燃焼ガスの温度に遮熱コーティングの温度を追従させることが可能となる。また、エンジンの吸気行程では、比較的低い吸気の温度に、遮熱コーティングの温度を追従させることが可能となる。よって、冷却損失の低減と、吸気の加熱の抑制と、を両立させることが可能となる。

次に、本発明に係る内燃機関の遮熱コーティングの形成方法の実施の形態について、図８を参照しながら説明する。

４．遮熱コーティングの形成方法
本実施の形態に係る形成方法は、図２で説明した第１の構成例の遮熱コーティングを得るための方法である。図８は、本実施の形態に係る形成方法の流れを説明する図である。図８に示すように、本実施の形態に係る形成方法は、(i)第１工程と、(ii)第２工程と、(iii)第３工程と、(iv)第４工程と、(v)第５工程と、を備えている。(i)第１工程〜(v)第５工程は、この順番で行われる。

(i) 第１工程
第１工程では、シリカエアロゲルの粒子が調製される（ステップＳ１）。シリカエアロゲルは、例えば、次のように調製される。先ず、ケイ酸ナトリウム、テトラメトキシシランといった金属アルコキシドをゲル原料として準備する。続いて、触媒を添加した水、アルコールといった溶媒中にゲル原料を混合し、反応させて湿潤ゲルを得る。その後、超臨界乾燥法を用いて湿潤ゲル中の溶媒を除去する。

(ii) 第２工程
第２工程では、シリカエアロゲルの粒子が分級される（ステップＳ２）。分級は、シリカエアロゲルの粒子を３つの粒子群に分けることにより行われる。３つの粒子群は、粒子径が下限Ｒｍｉｎを下回る群、粒子径が上限Ｒｍａｘを上回る群、および、粒子径が下限Ｒｍｉｎ〜上限Ｒｍａｘの群である。

第２工程では、分級後、下限Ｒｍｉｎ〜上限Ｒｍａｘの粒子群の粒度分布を測定して最頻値Ｒｍｏｄｅを特定することが望ましい。また、この粒子群に含まれる粒子総数を測定し、粒子総数Ｎ_ＧＳとＮ_ＧＬの大小関係が上述した範囲に収まるよう、これらの総数の一方または両方を調節することが望ましい。

第２工程の後、第３工程の前には、シリカエアロゲルの粒子を疎水化処理することが望ましい。疎水化処理は、シリカエアロゲルの粒子に疎水性基（炭化水素基、シクロアルキル基、アリール基など）を導入する処理である。疎水性基の導入は、シリカエアロゲルの粒子を、疎水性基を有するカップリング剤で処理することにより行われる。

疎水化処理が行われると、第３工程において、シリカエアロゲルの粒子（すなわち、二次粒子３２）が有する空隙（すなわち、空隙３６）にバインダ成分が入り込むのを抑えることができる。したがって、空隙が塞がれてしまうのを抑えることができる。

(iii) 第３工程
第３工程では、スラリーが調製される（ステップＳ３）。スラリーは、ケイ酸系無機バインダの水溶液中に、シリカエアロゲルの粒子を分散させることにより調製される。

第３工程では、水溶液中に、粒子状非晶質シリカを更に分散させてもよい。粒子状非晶質シリカを追加した場合は、第３の構成例の遮熱コーティングを得ることができる。

(iv) 第４工程
第４工程では、母材の表面にスラリーが塗布される（ステップＳ４）。塗布方法は特に限定されず、公知の方法を用いることができる。公知の方法としては、刷毛塗り、スプレーコート、ディッピングコート、フロートコート、スピンコートが例示される。

(v) 第５工程
第５工程では、熱処理が行われる（ステップＳ５）。熱処理が行われると、水分は蒸発し、バインダ成分は硬化してシリカエアロゲルの粒子同士が結合する。これにより、遮熱コーティングＨＣが形成される。

第５工程の後には、遮熱コーティングの表面に、ケイ素系化合物を含む水溶液を塗布してもよい。水溶液中の水分が蒸発すると、外層（すなわち、外層ＯＬ）が形成される。つまり、水溶液を塗布した場合は、第２の構成例の遮熱コーティングを得ることができる。

５．遮熱コーティングの形成方法による効果
本実施の形態に係る形成方法によれば、第２工程において、粒子径が下限Ｒｍｉｎ〜上限Ｒｍａｘのシリカエアロゲルの粒子が分級される。したがって、大小様々な粒子径の二次粒子が混在する遮熱コーティングを得ることができる。また、シリカエアロゲルの粒子の分級自体は複雑な工程ではない。したがって、本実施の形態に係る形成方法は、実用性が高いという点においても優れる。

１０ 内燃機関
２４ 燃焼室
３０ シリカエアロゲルの構造体
３２ シリカエアロゲルの粒子（二次粒子）
３６ 空隙
ＨＣ 遮熱コーティング
Ｒｍｉｎ 下限
Ｒｍａｘ 上限
Ｇ_Ｓ 小径群
Ｇ_Ｌ 大径群
Ｎ_ＧＳ、Ｎ_ＧＬ 粒子総数
ＩＬ 内層
ＯＬ 外層

Claims (7)

1. 燃焼室の壁面に所定厚さで形成される遮熱コーティングであって、
   粒子径が所定範囲に分布するシリカエアロゲルの粒子と、前記シリカエアロゲルの粒子同士を結合するシリカ系のバインダと、を含み、
   前記所定範囲の下限が、数１０ｎｍであり、
   前記所定範囲の上限が、１０μｍ以上であり、尚且つ、前記所定厚さと等しい
   ことを特徴とする内燃機関の遮熱コーティング。
2. 前記シリカエアロゲルの粒子は、粒子径が数１００ｎｍよりも小さい小径群と、粒子径が数１００ｎｍよりも大きい大径群と、から構成され、
   前記小径群に属するシリカエアロゲルの粒子総数が、前記大径群に属するそれの１０の４乗〜１０の５乗倍である
   ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の遮熱コーティング。
3. 前記シリカエアロゲルの粒子および前記シリカ系のバインダは内層を構成し、
   前記内層の表面には、前記シリカエアロゲルの粒子間に形成された開孔が形成され、
   前記表面に、前記開孔を封じるシリカ系の外層が形成されている
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の遮熱コーティング。
4. 前記シリカエアロゲルの粒子間に形成された隙間に設けられる粒子状非晶質シリカを更に含む
   ことを特徴とする請求項１乃至３何れか１項に記載の内燃機関の遮熱コーティング。
5. 燃焼室の壁面に所定厚さで形成される遮熱コーティングの形成方法であって、
   シリカエアロゲルの粒子を調製する工程と、
   調製されたシリカエアロゲルの粒子から、粒子径が所定範囲に属する粒子を分級する工程と、
   分級されたシリカエアロゲルの粒子と、ケイ酸系無機バインダの水溶液とを含むスラリーを調製する工程と、
   調製されたスラリーを前記壁面に塗布する工程と、
   を備え、
   前記所定範囲の下限が、数１０ｎｍであり、
   前記所定範囲の上限が、１０μｍ以上であり、尚且つ、前記所定厚さと等しい
   ことを特徴とする内燃機関の遮熱コーティングの形成方法。
6. 前記スラリーが、粒子径が数１０〜数１００ｎｍの粒子状非晶質シリカを更に含むことを特徴とする請求項５に記載の内燃機関の遮熱コーティングの形成方法。
7. 前記シリカエアロゲルの粒子を分級する工程と、前記スラリーを調製する工程との間に、分級されたシリカエアロゲルの粒子を疎水化処理する工程を更に備える
   ことを特徴とする請求項５または６に記載の内燃機関の遮熱コーティングの形成方法。

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