JP7068635B2 - 遮熱部材 - Google Patents
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Description
しかしながら、上記空孔が燃焼室に向けて開口した連通孔であるため、空孔内部に燃焼ガスが入り込んで該空孔が燃焼熱を外部に逃がす経路となるため、断熱性が十分でない。
そして、上記遮熱膜が、基材側から、少なくとも閉空孔を有する多孔質層と、上記多孔質層を覆い該多孔質層の空孔が遮熱膜の表面に開口しないように封止する緻密層とを有し、
上記多孔質層と上記緻密層とが、
ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂及びポリアミドイミド樹脂から成る群から選ばれた少なくとも1種の樹脂と、該樹脂中に分散して熱伝導率の向上に寄与する炭素フィラーと、を含み、
上記炭素フィラーの平均二次粒径が10μm以下であり、
上記多孔質層は、上記炭素フィラーの含有率が1%以上22%以下、平均径が1~200μmであり、その空孔率が25%以上80%以下であり、
上記樹脂の熱分解温度が350℃以上であることを特徴とする。
上記部材は、基材と、上記基材の表面に遮熱膜を備える。
上記遮熱膜は、少なくとも多孔質層を有し、必要に応じて、緻密層、耐熱層をさらに積層して成る。
上記多孔質層は、樹脂中に炭素系フィラーが分散して成り、閉空孔を有する層である。
樹脂中に炭素系フィラーが分散していることで、多孔質層の骨格を形成する樹脂部分の熱伝導率が向上し、遮熱膜の温度が燃焼室内のガスの温度に追従して熱こもりが防止される。
炭素系フィラーの平均二次粒径が小さければ均一な分散が可能であるが、炭素系フィラーの凝集防止のために分散媒等を使用すると塗工液中の炭素系フィラー濃度が低下し、多孔質層中の炭素系フィラーの含有率が低下することがある。また、炭素系フィラーが小さ過ぎると、炭素系フィラーによる伝熱パスが分断されて多孔質層の熱伝導率が低下することがある。
本発明において、閉空孔とは、多孔質層の内部に封入され、遮熱膜の表面にまで連通していない空孔をいい、個々の空孔が独立した独立孔であっても、複数の孔が多孔質層内で繋がって連通孔を形成していてもよい。
本発明において熱容量とは、体積に基づいた熱容量(J/m3・K)を意味する。
空孔率が、上記範囲内であることで、遮熱膜の断熱性と強度とを両立させることができる。
また、上記多孔質層の熱容量は、600J/m3・K以下であることが好ましく、さらに500J/m3・K以下であることが好ましい。
多孔質層が、上記範囲の熱伝導率と熱容量とを同時に満たすことで、冷却損失が低減され、燃費性能が向上する。
上記遮熱膜は、上記多孔質層の表面側に緻密層を有することができる。
上記緻密層は、樹脂及び炭素系フィラーを含み内部空隙のない密実な層である。
上記遮熱膜は、耐熱層を最表面に有することができる。
最表面に熱分解温度が500℃以上の耐熱層を有することで、熱分解による遮熱膜の膜厚の減少を防止することができ、耐久性が向上する。
上記基材としては、従来、内燃機関に用いられている材料を使用することができ、例えば、アルミニウム、マグネシウム、鉄、及びこれらの合金を使用できる。
本発明の遮熱部材は、断熱性が高くかつ熱容量が小さな遮熱膜を備えるため、内燃機関における燃焼ガスに曝される箇所に用いることで、冷却損失を低減して燃費性能を向上させることができる。
上記遮熱膜は、基材上に多孔質層、必要に応じて、緻密層、耐熱層を順次積層することで作製できる。
(多孔質層の作製)
ジメチルアセトアミド(DMAc)とテトラエチレングリコールジメチルエーテル(TEGM)とが質量比で1:1の溶媒に、ポリアミック酸が固形分濃度で26質量%、炭素系フィラー(平均フレーク厚8nm(20~30分子層)グラフェンナノパウダー;G-11L;イーエムジャパン株式会社製)を0.05質量%加え、多孔質層塗工液を作製した。
溶媒として、ジメチルアセトアミド(DMAc)を用いる他は、上記多孔質層塗工液と同様にして緻密層塗工液を作製し、上記多孔質層上に塗布し、130℃で30分間乾燥させた後、200℃で60分間加熱してイミド化させて膜厚が5μmの緻密層を形成し遮熱部材を得た。
炭素系フィラーの含有量を0.4質量%に変え、膜厚が70μmの多孔質層を形成する他は実施例1と同様にして遮熱部材を得た。
炭素系フィラーの含有量を0.6質量%に変える他は実施例2と同様にして遮熱部材を得た。
炭素系フィラーの含有量を0.8質量%に変える他は実施例2と同様にして遮熱部材を得た。
実施例3で作製した緻密層上に、ポリシラザン溶液を塗布して硬化させ、厚さ3μmの耐熱層を形成し遮熱部材を得た。
(多孔質層)
ジメチルアセトアミド(DMAc)とテトラエチレングリコールジメチルエーテル(TEGM)とが質量比で1:1の溶媒に、ポリアミック酸が固形分濃度で26質量%、炭素系フィラー(カーボンブラック)を0.2質量%加えた多孔質層塗工液を用いる他は、実施例1と同様にして膜厚が100μmの多孔質層を形成した。
溶媒として、ジメチルアセトアミド(DMAc)を用いる他は、上記多孔質層塗工液と同様にして、炭素系フィラーとしてカーボンブラックを含む緻密層塗工液を作製した。
上記緻密層塗工液を上記多孔質層上に塗布し、130℃で30分間乾燥させた後、200℃で60分間加熱してイミド化させて膜厚が5μmの緻密層を形成し遮熱部材を得た。
(多孔質層)
ジメチルアセトアミド(DMAc)とテトラエチレングリコールジメチルエーテル(TEGM)とが質量比で1:1の溶媒に、ポリアミック酸が固形分濃度で26質量%加えた多孔質層塗工液を用いる他は、実施例1と同様にして膜厚が100μmの多孔質層を形成した。
ジメチルアセトアミド(DMAc)とテトラエチレングリコールジメチルエーテル(TEGM)とが質量比で1:1の溶媒に、ポリアミック酸が固形分濃度で26質量%加えた緻密層塗工液を作製した。
上記緻密層塗工液を上記多孔質層上に塗布し、130℃で30分間乾燥させた後、200℃で60分間加熱してイミド化させて膜厚が5μmの緻密層を形成した。
上記緻密層上にポリシラザン溶液を塗布して硬化させ、厚さ3μmの耐熱層を形成し、遮熱部材を得た。
実施例3で作製した緻密層塗工液をアルミニウム基材上に塗布し膜厚が70μmの緻密層を形成し遮熱部材を得た。
アルミニウム基材上に、ジルコニア粒子を溶射して厚さ200μmの遮熱膜を形成し遮熱部材を得た。
遮熱部材の断面を走査型電子顕微鏡で撮影し、画像解析により多孔質層の空孔率、炭素系フィラーの含有率、及び炭素系フィラーの平均二次粒径を測定した。
また、実施例3の遮熱部材の多孔質層の断面像を図1に示す。
図1中、炭素系フィラーの存在個所を矢印で示した。
小型汎用画像解析装置(株式会社ニレコ製;LUZEX AP)で断面像をグレースケール化し、空孔と樹脂部分との間に閾値を設定した2値化処理画像から、多孔質層の断面像全体に占める空孔の合計面積から空孔の面積百分率を算出して空孔率とした。
樹脂と炭素系フィラーとの間に閾値を設定した2値化処理画像から、下記式(1)により炭素系フィラーの含有率を算出した。
炭素系フィラーの面積 /(樹脂の面積+炭素系フィラーの面積)×100・・・式(1)
炭素系フィラーの平均二次粒径は、炭素系フィラーの投影面積と同じ面積の真円の直径を炭素系フィラーの粒径(円相当径)とし、視野中の炭素系フィラーの粒径を平均して平均二次粒径とした。
上記多孔質層のラマンスペクトルを、レーザラマン分光装置(Ramanor T-64000、Jobin Yvon社製)により、514.5nmのArレーザ光を用いてレーザラマン分光法を用いて求め、Gバンドピーク波数とGバンドの半値幅を測定した。
多孔質層及び緻密層の樹脂の熱分解温度、並びに耐熱層の熱分解温度を、熱重量測定(TG)により測定した。
具体的には、100mL/minの空気を試料室に流入させながら、10℃/minで上昇させ、質量減少率が5%になる温度を熱分解温度とした。
多孔質層の熱伝導率λ(W/(m・K))を、下記式(2)により算出した。
λ=ρCpα ・・・式(2)
但し、式(2)中、ρは多孔質層の密度、Cpは多孔質層の比熱容量、αは多孔質層の熱拡散率を表す。
次に、残った多孔質層をアセトンに浸漬させ、テフロン(登録商標)テープを第一層から剥離させ、粉末状の多孔質の試料を得た。
この試料12mgを、示差走査熱量測定装置(PerkinElmer製;DSC-7型)を用い、アルゴンガス雰囲気下、測定温度20℃で、多孔質層の比熱容量を測定した。
この試験片の面積熱拡散時間を、熱定数測定装置(アルバック理工株式会社製TC-7000)を用い、レーザーフラッシュ法により、大気中、室温(20℃)において、規格化された温度-時間曲線から算出した。
そして、面積熱拡散時間から多孔質層の熱拡散時間を算出し、多孔質層の熱拡散時間と多孔質層の膜厚とから、熱拡散率αを算出した。
多孔質層の容積比熱CV(J/(m3・K))を、下記式(3)により算出した。
CV=CPρ ・・・式(3)
但し、式(3)中、CPは多孔質層の比熱容量(J/(kg・K))、ρは多孔質層の密度(kg/m3)を表す。
ガソリンエンジンを用いた台上燃費試験に基づき、燃費特性の評価を行った。運転条件は国土交通省10・15モードを参考にして設定し、比較例3の燃費を0%とし、燃費向上率を測定した。
上記の結果から、本発明の遮熱部材によれば、低い熱伝導率と小さな熱容量とを両立でき、燃費性能が向上することがわかる。
また、カーボンブラックはグラファイトの配向性が低く、グラフェンに比して熱伝導性が低いため、遮熱膜の温度追従性が低くなり、グラフェンを用いた実施例に比して燃費性能が低下した。
Claims (8)
- 基材と、
上記基材の表面に遮熱膜を備える部材であって、
上記基材が、アルミニウム、マグネシウム、鉄及びこれらの金属を含む合金から成る群から選ばれた少なくとも1種の材料であり、
上記遮熱膜が、基材側から、少なくとも閉空孔を有する多孔質層と、上記多孔質層を覆い該多孔質層の空孔が遮熱膜の表面に開口しないように封止する緻密層とを有し、
上記多孔質層と上記緻密層とが、
ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂及びポリアミドイミド樹脂から成る群から選ばれた少なくとも1種の樹脂と、該樹脂中に分散して熱伝導率の向上に寄与する炭素フィラーと、を含み、
上記炭素フィラーの平均二次粒径が10μm以下であり、
上記多孔質層は、上記炭素フィラーの含有率が1%以上22%以下、平均径が1~200μmであり、その空孔率が25%以上80%以下であり、
上記樹脂の熱分解温度が350℃以上であることを特徴とする遮熱部材。 - 上記閉空孔が、複数の孔が繋がった連通孔を含むことを特徴とする請求項1に記載の遮熱部材。
- 上記多孔質層のラマン分光スペクトルが、514.5nmのArレーザ光を用いたとき、ピーク波数1577cm-1~1581cm-1にグラファイト構造由来のGバンドを有し、かつそのバンド幅が25cm-1以下であることを特徴とする請求項1又は2に記載の遮熱部材。
- 上記多孔質層の上記炭素フィラーの含有率が、8%以上22%以下であることを特徴とする請求項1~3のいずれか1つの項に記載の遮熱部材。
- 上記多孔質層の上記炭素フィラーの含有率が、13%以上22%以下であることを特徴とする請求項1~3のいずれか1つの項に記載の遮熱部材。
- 上記多孔質層の空孔内に、炭素フィラーが存在することを特徴とする請求項1~5のいずれか1つの項に記載の遮熱部材。
- 上記樹脂が、ポリイミド樹脂を含むことを特徴とする請求項1~6のいずれか1つの項に記載の遮熱部材。
- 最表面に耐熱層を有し、
上記耐熱層の熱分解温度が500℃以上であることを特徴とする請求項1~7のいずれか1つの項に記載の遮熱部材。
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