(57)【要約】      （修正有）【課題】より冷却効率が良いシリンダヘッドを提供する。【解決手段】燃焼室上面において、複数の柱状構造７のそれぞれが、燃焼室壁面に対して垂直に引いた線から４５°以下の傾きで伸びるように形成され、複数の柱状構造７は、短手方向よりも長手方向に熱伝導率が高い。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室上面において、複数の柱状構造のそれぞれが、前記燃焼室壁面に対して垂直に引いた線から４５°以下の傾きで伸びるように形成され、
前記複数の柱状構造は、短手方向よりも長手方向に熱伝導率が高い、
シリンダヘッド。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シリンダヘッドに関する。
【背景技術】
【０００２】
アルミニウム材から形成されたシリンダヘッドが知られている。
例えば特許文献１には、短手方向よりも長手方向に熱伝導率が高い柱状構造を有する肉盛部が形成されたシリンダヘッドが開示されている。また、非特許文献１には、アルミニウム材が含有するシリコン量が多くなると、熱伝導率が低下することが開示されている。非特許文献１の図３には、例えば焼きなまし処理材では、シリコン含有量が５．６％である場合、シリコン含有量が７．０％である場合に比較して、熱伝導率が高いことが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平０７−１５０９１２号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】半溶融成形したＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ合金の熱伝導率に及ぼすＳｉ量の影響、山本健介、高橋正詞、上久保佳則、杉浦泰夫、岩澤秀、鋳造工学第１６４回全国講演大会講演概要集
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
発明者らは、シリンダヘッドに関し、以下の課題を見出した。
特許文献１に開示されている技術では、短手方向よりも長手方向に熱伝導率が高い柱状構造を有する肉盛部を形成することによって、シリンダヘッドの冷却効率を高めている。特許文献１に開示されている技術では、シリンダヘッドの一部にのみ柱状構造が形成される。
【０００６】
そこで、例えば、過熱されやすい箇所全体に柱状構造を形成することによって、シリンダヘッドの冷却効率を更に向上させることができる。しかしながら、過熱されやすい箇所全体に肉盛加工を施すと、加工時に母材が高温となるため、製造されたシリンダヘッドの強度が低下する虞がある。
【０００７】
本発明は、このような問題に鑑みなされたものであり、より冷却効率が良いシリンダヘッドを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成する一態様は、シリンダヘッドであって、燃焼室上面において、複数の柱状構造のそれぞれが、前記燃焼室壁面に対して垂直に引いた線から４５°以下の傾きで伸びるように形成され、前記複数の柱状構造は、短手方向よりも長手方向に熱伝導率が高い。
【０００９】
本発明に係るシリンダヘッドは、燃焼室上面において、複数の柱状構造のそれぞれが、前記燃焼室壁面に対して垂直に引いた線から４５°以下の傾きで伸びるように形成されている。複数の柱状構造が短手方向よりも長手方向に熱伝導率が高いため、本発明に係るシリンダヘッドは、燃焼室上面において、燃焼室壁面からシリンダヘッド内に形成された冷却液流路への熱伝導率が高い。そのため、本発明に係るシリンダヘッドは、過熱されやすい領域の一部にのみ複数の柱状構造が形成されたシリンダヘッドより、冷却効率が良い。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、より冷却効率が良いシリンダヘッドを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本実施の形態に係るシリンダヘッドの下面図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図である。
【図３】本実施の形態に係るシリンダヘッドの一部拡大図である。
【図４】柱状構造の模式斜視図である。
【図５】柱状構造の模式斜視図である。
【図６】本実施の形態に係るシリンダヘッドの一部拡大模式図である。
【図７】本実施の形態に係るシリンダヘッドの造形装置の模式断面図である。
【図８】積層造形時におけるシリンダヘッドの模式断面図である。
【図９】燃焼室壁面に垂直な方向から約４５°の方向に伸びる柱状構造の模式断面図である。
【図１０】燃焼室壁面に略平行な方向に伸びる柱状構造の模式断面図である。
【図１１】柱状構造の熱伝導率を計測した結果を示すグラフである。
【図１２】実施例１におけるサンプルの一部拡大写真である。
【図１３】図１２のａ−ｃ線に沿うシリコン量を示すＥＰＭＡマッピングの結果である。
【図１４】図１２のａ−ｃ線に沿うマグネシウム量を示すＥＰＭＡマッピングの結果である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。ただし、本発明が以下の実施の形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。
【００１３】
まず、図１及び図２を参照して、本実施の形態に係るシリンダヘッドの構成について説明する。図１は、本実施の形態に係るシリンダヘッドの下面図である。図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図である。図１に示すように、シリンダヘッド１には、点火プラグ取付孔２、吸気バルブシート４ａ、及び排気バルブシート５ａが形成されている。図２に示すように、シリンダヘッド１には、図１に示した構成に加えて、吸気ポート４、排気ポート５、及び冷却液流路６が形成されている。
【００１４】
シリンダヘッド１は、図示しないシリンダブロックやピストン等の各部材と組合わせられて内燃機関を構成する。シリンダヘッド１を用いて構成された内燃機関は、車載用エンジンに好適である。シリンダヘッド１及びシリンダブロックは、図２に示す燃焼室３を形成する。図２に示すように、吸気ポート４及び排気ポート５は、燃焼室３に連通している。吸気ポート４の燃焼室３側の端には、図１に示すように、吸気バルブシート４ａが形成されている。排気ポート５の燃焼室３側の端には、排気バルブシート５ａが形成されている。
【００１５】
図２に示すように、冷却液流路６は、燃焼室３壁面近傍や、排気バルブシート５ａ近傍等に形成されている。冷却液流路６には、水等の冷却液が循環可能である。冷却液流路６に冷却液を循環させると、冷却液流路６周縁部が冷却される。
【００１６】
点火プラグ取付孔２には、図示しない点火プラグが取り付けられる。吸気ポート４は、燃焼と空気との混合ガスを燃焼室３に流入させる通路である。また、排気ポート５は、排気ガスを排気する通路である。吸気ポート４から流入された混合ガスは、燃焼室３において点火プラグを用いて着火され、燃焼する。燃焼した混合ガスは、排気ガスを生成する。生成した排気ガスは、排気ポート５から排気される。
【００１７】
一連の燃焼動作によって、点火プラグ取付孔２壁面の燃焼室３側や、排気バルブシート５ａ近傍等は、高温になる。高温になった箇所は、冷却液流路６に冷却水を循環させて冷却される。例えば図２において丸で囲われた箇所では、燃焼室３壁面から冷却液流路６に向かって熱が伝導し、燃焼室３壁面近傍が冷却される。
【００１８】
図３は、本実施の形態に係るシリンダヘッドの一部拡大図である。図３では、図２において丸で囲われた箇所を拡大して示している。図３に示すように、シリンダヘッド１は、複数の柱状構造７を有する。複数の柱状構造７は、燃焼室３壁面に形成される。複数の柱状構造７は、点火プラグ取付孔２壁面の燃焼室３側や排気バルブシート５ａ近傍、すなわち、燃焼室３上面において、燃焼室３壁面に対して垂直に引いた線から４５°以下の傾きで伸びる。図３に示す例では、複数の柱状構造７は、燃焼室３壁面に対して略垂直な方向に伸びている。
【００１９】
図４は、柱状構造の模式斜視図である。図４には、複数の柱状構造７のうち１つの柱状構造７を図示している。図４に示すように、柱状構造７は、Ｓｉ系晶出層７１、及び初晶α（Ａｌ）層７２を備える。なお、図４に示す矢印は、レーザの送り方向を示す。
【００２０】
詳細は後述するが、複数の柱状構造７は、図７に示す粉末材料９にレーザを照射し、溶融固化して形成される。粉末材料９は、シリコンを２０質量％以下含有するアルミニウム合金の粉末である。粉末材料９にレーザを照射すると、粉末材料９が溶融し、溶融池を生じる。溶融池が冷却されると、中心部に初晶α（Ａｌ）層７２を有すると共に初晶α（Ａｌ）層７２の周囲にＳｉ系晶出層７１を有する柱状構造７が形成される。
【００２１】
Ｓｉ系晶出層７１は、初晶α（Ａｌ）層７２に比較して、熱伝導率が低い。したがって、複数の柱状構造が形成されている部分では、Ｓｉ系晶出層７１を迂回するように熱伝導が起こると考えられる。図５は、柱状構造の模式斜視図である。図５に示す矢印は、熱が伝わる経路の例を示す。Ｓｉ系晶出層７１の熱伝導率が低い場合、例えば図５に示す経路を通って熱が伝導する。燃焼室３壁面から略垂直な方向に熱伝導する場合には、図５に示すように、燃焼室３壁面に平行な方向に熱伝導する場合に比較して、熱が伝導する方向に対して少ないＳｉ系晶出層７１をまたいで伝導する。
【００２２】
一方、燃焼室３壁面から約４５°の方向に熱伝導する場合には、図５に示すように、Ｓｉ系晶出層７１を迂回するように折れ曲がった経路を通って熱伝導する。つまり、複数の柱状構造７は、短手方向における熱伝導率が、長手方向における熱伝導率に比較して、低い。したがって、燃焼室３壁面から略垂直な方向に熱伝導する場合に比較して、熱伝導効率が低下する。
【００２３】
図３に示すように、燃焼室３壁面周縁部は、複数の柱状構造７からなる複数の層が積層されて形成される。図６は、複数の柱状構造７からなる複数の層を燃焼室３壁面側から見た一部拡大模式図である。複数の柱状構造７からなる複数の層のそれぞれは、図６に示すように、角度γで互い違いの方向にレーザ照射されて形成される。複数の柱状構造７からなる複数の層が角度γで互い違いの方向になるように積層されているため、例えば、図６に示す矢印Ａの方向に熱が伝導する場合、燃焼室３壁面から略垂直な方向に熱伝導する場合に比較して、熱伝導効率が低下する。
【００２４】
次に、図７及び図８を参照して、本実施の形態に係るシリンダヘッドを造形する装置（本実施の形態に係るシリンダヘッドの造形装置）の構成について説明する。図７は、本実施の形態に係るシリンダヘッドの造形装置の模式断面図である。図８は、積層造形時におけるシリンダヘッドの模式断面図である。
【００２５】
図７に示すように、造形装置８は、造形部８ａ、粉末供給部８ｂ、造形ステージ８１、ベースプレート８２、粉末供給ステージ８３、リコーター８４、発振器８５、及びミラー８７を備える。なお、図７には、造形装置８に加えて、レーザ８６、粉末材料９、複数の粉末層９２、及び固化部９３を図示している。
【００２６】
図７に示すように、造形部８ａは、ｚ軸方向に延びる筒状の構造体である。造形部８ａは、ｘｙ平面に平行な上面を有する。造形部８ａ内には、造形ステージ８１が配置されている。造形ステージ８１は、ｘｙ平面に平行に配置されている。造形ステージ８１は、造形部８ａ内を上下動可能である。造形ステージ８１には、ベースプレート８２が載置されている。ベースプレート８２は、造形ステージ８１と共に上下動可能である。ベースプレート８２の縁部は、常に造形部８ａの内周面に接触している。
【００２７】
粉末供給部８ｂは、ｚ軸方向に延びる筒状の構造体である。粉末供給部８ｂは、ｘｙ平面に平行な上面を有する。造形部８ａと粉末供給部８ｂとは、互いの上面が同一の高さとなるように、隣接して配置される。粉末供給部８ｂ内には、粉末供給ステージ８３が配置されている。粉末供給ステージ８３は、ｘｙ平面に平行に配置されている。粉末供給ステージ８３は、粉末供給部８ｂ内を上下動可能である。粉末供給ステージ８３の縁部は、常に粉末供給部８ｂの内周面に接触している。粉末供給部８ｂ内には、粉末材料９が充填されている。
【００２８】
造形部８ａ又は粉末供給部８ｂの上面には、リコーター８４が載置されている。リコーター８４は、ｘｙ平面に平行な方向に、造形部８ａの上面及び粉末供給部８ｂの上面に沿って移動可能である。リコーター８４を造形部８ａの上面及び粉末供給部８ｂの上面に沿って移動させると、粉末材料９をｘｙ平面に平行な方向に均すことができる。
【００２９】
シリンダヘッド１を造形する際には、リコーター８４を用いて粉末材料９が充填される。具体的には、まず、粉末材料９が粉末供給部８ｂの上面まで充填された状態で粉末供給ステージ８３を上昇させ、充填された粉末材料９の一部を粉末供給部８ｂの上面よりもｚ軸正方向側に押し出す。図７に示すように粉末供給部８ｂのｘ軸負方向側に配置されたリコーター８４を、造形部８ａの正方向側まで、移動させる。リコーター８４を移動させると、粉末供給部８ｂから押し出された粉末材料９を、ｘｙ平面に平行な方向に均しつつ、造形部８ａ内に充填することができる。
【００３０】
リコーター８４を用いて造形部８ａ内に粉末材料９を充填する際には、予め、造形ステージ８１及びベースプレート８２を所定量降下させる。造形ステージ８１及びベースプレート８２を所定量降下させると、造形部８ａ内の体積が所定量増加する、リコーター８４を用いて、増加した体積と同量の粉末材料９を造形部８ａ内に充填すると、造形部８ａの上面まで粉末材料９を充填することができる。造形部８ａ内に充填された粉末材料９は、図７に示すように複数の粉末層９２のうち最も上に位置する層を形成する。
【００３１】
造形部８ａ内に形成された粉末層９２の所定の領域には、レーザ８６が照射される。レーザ８６は、発振器８５から発振され、ミラー８７において反射する。レーザ８６の進行方向は、ミラー８７の配置位置や角度によって調節される。ミラー８７の配置位置や角度を調節することによって、粉末層９２の所定の領域全体にレーザ８６を照射することができる。レーザ８６が照射された粉末層９２の領域は、溶融する。粉末層９２の所定の領域は、レーザ８６の照射によって溶融した後に冷却されて固化する。
【００３２】
粉末層９２の所定の領域が固化した後に、造形ステージ８１を所定量降下させ、次なる粉末層９２を造形部８ａ内に形成する。そして、次なる粉末層９２の所定の領域にレーザ８６を照射し、固化する。このようにして、固化部９３を形成する。固化部９３は、図８に示すように、少なくともシリンダヘッド１を有し、さらにサポート１１を有していてもよいものとする。サポート１１は、シリンダヘッド１と共に積層造形される構造体である。サポート１１は、積層造形時におけるシリンダヘッドの変形を抑制する。
【００３３】
レーザ８６を粉末層９２に照射する際には、レーザ８６の照射軌跡の間隔が、複数の柱状構造７を形成する際に生じる溶融池の直径よりも、狭くなるように設定する。つまり、柱状構造７は、隣接する柱状構造７の一部を再溶融して互いに重なり合うように形成されている。また、粉末層９２の厚みは、複数の柱状構造７を形成する際に生じる溶融池の深さよりも、浅い。つまり、次なる粉末層９２において複数の柱状構造７を形成する際には、すでに形成された複数の柱状構造７の上部が一部再溶融される。そのため、複数の柱状構造７が成す各層は、互いに重なり合うように形成されている。
【００３４】
図８に示すように、造形装置８では、燃焼室３壁面側からレーザ８６を照射するようにシリンダヘッド１を積層造形する。したがって、燃焼室３壁面周縁部の広い部分に、複数の柱状構造７を形成することができる。そのため、シリンダヘッド１は、一部分にのみ複数の柱状構造７が形成されたシリンダヘッドに比較して、より冷却効率が良い。
【実施例】
【００３５】
以下、本発明について実施例を示して具体的に説明する。これらの記載により本発明を制限するものではない。
【００３６】
［実施例１］
＜サンプルの作製＞
図３に示すように、燃焼室３壁面に対して略垂直な方向に複数の柱状構造７が伸びるように積層造形し、サンプルを得た。
［実施例２］
図９に示すように、燃焼室３壁面に対して約４５°の方向に複数の柱状構造７が伸びるように積層造形し、サンプルを得た。
［比較例１］
図１０に示すように、燃焼室３壁面に対して略平行な方向に複数の柱状構造７が伸びるように積層造形し、サンプルを得た。
【００３７】
（熱伝導率の計測）
実施例１〜２、及び比較例１において作製したサンプルの、燃焼室３壁面から冷却液流路６に向かう熱伝導率を計測した。計測結果を図１１に示す。熱伝導率は、レーザーフラッシュ法によって測定された熱拡散率に、ＤＳＣ（Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ  ｓｃａｎｎｉｎｇ  ｃａｌｏｒｉｍｅｔｒｙ）法によって測定された比熱及び密度を乗じて算出した。図１１に示すように、実施例１における熱伝導率は、１５４Ｗ／（ｍ・Ｋ）であった。実施例２における熱伝導率は、１３９Ｗ／（ｍ・Ｋ）であった。比較例１における熱伝導率は、１３４Ｗ／（ｍ・Ｋ）であった。
【００３８】
（ＥＰＭＡマッピング）
実施例１において作製したサンプルのＥＰＭＡ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｐｒｏｂｅ  Ｍｉｃｒｏ  Ａｎａｌｙｚｅｒ）マッピングを行った。ＥＰＭＡマッピングでは、シリコン（Ｓｉ）の含有量とマグネシウム（Ｍｇ）の含有量とを計測した。図１２は、実施例１において作製したサンプルの一部拡大写真である。図１２のａ−ｃ線に沿うＥＰＭＡマッピングの結果を図１３及び図１４に示す。
【００３９】
図１２に示すｂ地点は、Ｓｉ系晶出層７１である。また、ａ地点及びｃ地点は、初晶α（Ａｌ）層７２である。図１３に示すように、ｂ地点におけるシリコン量は、約７．０％であった。ａ地点及びｃ地点におけるシリコン量は、約５．６％であった。また、図１４に示すように、ｂ地点におけるマグネシウム量は、約０．５４％であった。ａ地点及びｃ地点におけるシリコン量は、約０．３％であった。このことから、Ｓｉ系晶出層７１は、初晶α（Ａｌ）層７２に比較して、シリコンを多く含有することが確認された。したがって、Ｓｉ系晶出層７１は、初晶α（Ａｌ）層７２に比較して、熱伝導率が低いと考えられる。
【００４０】
以上で説明した本実施の形態に係る発明により、より冷却効率が良いシリンダヘッドを提供することができる。
【００４１】
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。
【符号の説明】
【００４２】
１  シリンダヘッド
２  点火プラグ取付孔
３  燃焼室
４  吸気ポート
４ａ  吸気バルブシート
５  排気ポート
５ａ  排気バルブシート
６  冷却液流路
７  複数の柱状構造
７１  Ｓｉ系晶出層
７２  初晶α（Ａｌ）層
８  造形装置
８ａ  造形部
８ｂ  粉末供給部
８１  造形ステージ
８２  ベースプレート
８３  粉末供給ステージ
８４  リコーター
８５  発振器
８６  レーザ
８７  ミラー
９  粉末材料
９２  粉末層
９３  固化部
１１  サポート
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
2020084893.tif 000012
【図１１】
2020084893.tif 000013
【図１２】
2020084893.tif 000014
【図１３】
2020084893.tif 000015
【図１４】
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