(57)【要約】【課題】内燃機関を構成するアルミニウム基材上に設けられる、セラミックス溶射膜を上層とする二層構造の遮熱膜の低い熱伝導率と体積熱容量を実現する。【解決手段】遮熱膜１０は、遮熱層１４と中間層１６とを備える二層構造の遮熱膜である。中間層１６は、アルミ基材１２の表面１２ａの一部の領域にのみ設けられている。表面１２ａの他の領域には、遮熱層１４が部分的に接触している。遮熱層１４の表面１２ａとの接触部分には、割れ（クラック）１４ａが発生している。遮熱層１４において、表面１２ａとの接触部分よりも内側には、空隙１４ｂが多く形成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の燃焼室を構成するアルミニウム基材上に設けられる遮熱膜であって、
前記遮熱膜は、前記アルミニウム基材の表面を覆うように設けられるセラミックス溶射膜から構成される遮熱層と、前記表面と前記遮熱層との間に設けられる中間層とを備え、
前記中間層は、前記表面の一部の領域にのみ設けられると共に、陽極酸化膜、または、前記中間層の線膨張係数を前記遮熱層の線膨張係数よりも大きく、尚且つ、前記アルミニウム基材の線膨張係数よりも小さくするセラミックス溶射膜から構成され、
前記遮熱層は、前記表面のうちの前記中間層が設けられていない領域において前記表面と接触すると共に、前記表面との接触部分に形成されたクラックと、前記接触部分よりも内側部分に形成される空隙とを備えることを特徴とする遮熱膜。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は遮熱膜に関し、詳細には、内燃機関を構成するアルミニウム基材に好適に設けられる遮熱膜に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、基材上に遮熱膜を設ける技術が開示されている。この遮熱膜は、基材側のアルマイト層と、その上のセラミックス層と、を備える二層構造の遮熱膜である。この遮熱膜において、アルマイト層は、基材表面に到達するクラックを有している。このクラックは、アルマイト層に元からある微細孔の容積がセラミックス層の形成時に大きくなったもの、または、セラミックス層の形成時にアルマイト層に新たに発生したものである。但し、この遮熱膜においては、クラックの内部にセラミックス層の一部が入り込んで基材表面に到達している。故に、この遮熱膜によれば、基材とセラミックス層の間の密着性を高めることができる。
また、特許文献１には、内燃機関を構成するアルミニウム基材に、このような二層構造の遮熱膜を適用できることも開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１５−１３７４０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、特許文献１での言及はないが、アルマイトの熱伝導率と体積熱容量は、内燃機関を構成する一般的なアルミニウム基材の熱伝導率と体積熱容量よりも低いことが知られている。そのため、内燃機関の燃焼室を構成するアルミニウム基材上に設ける遮熱膜をアルマイトの一層構造とした場合には、この燃焼室内の作動ガスの温度に遮熱膜の表面温度を追従させることが可能となる。即ち、吸気行程では吸気の温度に、膨張行程では燃焼ガスの温度に、それぞれ遮熱膜の表面温度を追従させることが可能となる。よって、膨張行程での冷却損失を低減して燃費を向上でき、また、吸気行程での作動ガスの加熱によるノッキングの発生または異常燃焼の発生を抑制することもできる。
【０００５】
しかし、上述したアルマイトの低い熱伝導率と体積熱容量は、アルマイトが有する微細孔や、上述したクラックに因るところが大きい。そのため、特許文献１の様にセラミックス層でアルマイト層のクラックを塞いでしまうと、当該アルマイト層の熱伝導率や体積熱容量が上昇してしまう。
【０００６】
また、特許文献１ではセラミックス層を塗布によって形成しているが、このセラミックス層を溶射によって形成した場合には、セラミックス層の熱伝導率と体積熱容量を、上述したアルマイトの熱伝導率と体積熱容量に近づけることができるというメリットがある。しかしその一方で、次のようなデメリットがある。即ち、アルマイトが有する低い熱伝導率が原因で、アルマイトの表面に吹き付けられた溶射粒子の熱がアルミニウム基材側に十分に移動できなくなる。そうすると、高温状態の溶射粒子がアルマイトの表面に濡れ広がることができてしまうので、セラミックス層がリジットな層になってしまう。そのため、アルマイト層の上に溶射する場合は、アルミニウム基材上に溶射する場合に比べて、セラミックス層の熱伝導率や体積熱容量が上昇してしまう。
【０００７】
本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、内燃機関を構成するアルミニウム基材上に設けられる、セラミックス溶射膜を上層とする二層構造の遮熱膜の低い熱伝導率と体積熱容量を実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上記の目的を達成するための遮熱膜であり、内燃機関の燃焼室を構成するアルミニウム基材上に設けられる。
前記遮熱膜は、前記アルミニウム基材の表面を覆うように設けられるセラミックス溶射膜から構成される遮熱層と、前記表面と前記遮熱層との間に設けられる中間層とを備えている。
前記中間層は、前記表面の一部の領域にのみ設けられると共に、陽極酸化膜、または、前記中間層の線膨張係数を前記遮熱層の線膨張係数よりも大きく、尚且つ、前記アルミニウム基材の線膨張係数よりも小さくするセラミックス溶射膜から構成されている。
前記遮熱層は、前記表面のうちの前記中間層が設けられていない領域において前記表面と接触すると共に、前記表面との接触部分に形成されたクラックと、前記接触部分よりも内側部分に形成される空隙とを備えている。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、陽極酸化膜または溶射膜から構成される中間層を応力緩和層として機能させることによって、アルミニウム基材と遮熱層の間の密着性を高めることができる。
また、本発明によれば、アルミニウム基材よりも相対的に低い陽極酸化膜や溶射膜の熱伝導率と体積熱容量によって、内燃機関の燃焼室内の作動ガスの温度に遮熱膜の表面温度を追従させることもできる。
更に、本発明によれば、遮熱層のアルミニウム基材の表面との接触部分に形成されたクラックと、この接触部分よりも内側部分に形成される空隙と、によって低い熱伝導率と体積熱容量を実現することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施の形態に係る遮熱膜が設けられたアルミニウム基材の縦断面模式図である。
【図２】図１に示した遮熱膜１０とは異なる遮熱膜が設けられたアルミニウム基材の縦断面模式図である。
【図３】図１に示した遮熱層１４の形成中の様子と、遮熱層１４に割れ１４ａが形成されるまでの流れと、を示した図である。
【図４】中間層１６の配置例を説明する図である。
【図５】中間層１６の配置例を説明する図である。
【図６】本発明の実施の形態に係る遮熱膜の中間層の形成手法の例を説明する図である。
【図７】本発明の実施の形態に係る遮熱膜の中間層の形成手法の例を説明する図である。
【図８】本発明の実施の形態に係る遮熱膜の中間層の他の例を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態について説明する。尚、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。
【００１２】
［遮熱膜の構成］
本発明の実施の形態に係る遮熱膜は、内燃機関の燃焼室を構成するアルミニウム基材上に設けられる遮熱膜である。内燃機関の燃焼室とは、シリンダヘッドとシリンダブロックを合わせたときに、当該シリンダブロックのボア面と、当該ボア面に収容されるピストンの頂面と、当該シリンダヘッドの底面と、当該シリンダヘッドに形成される吸気ポートおよび排気ポートにそれぞれ配設される吸気バルブおよび排気バルブの傘部の底面と、によって囲まれる空間を意味する。アルミニウム基材とは、アルミニウムおよび／またはアルミニウム合金からなる基材を意味する。以下の説明においては、便宜上、「内燃機関の燃焼室を構成するアルミニウム基材」を「アルミ基材」とも称す。
【００１３】
図１は、本発明の実施の形態に係る遮熱膜が設けられたアルミ基材の縦断面模式図である。図１に示すように、本実施の形態に係る遮熱膜１０は、アルミ基材１２の表面に設けられている。遮熱膜１０は、遮熱層１４と中間層１６とを備える二層構造の遮熱膜である。遮熱層１４は、セラミックス粉末（一例としてＺｒＯ２−ＳｉＯ２系のセラミックス粉末）の溶射によって形成される溶射膜から構成されている。中間層１６は、アルミ基材１２の陽極酸化によって形成される陽極酸化膜（即ち、アルマイト膜）から構成されている。
【００１４】
中間層１６は、アルミ基材１２の表面１２ａの一部の領域にのみ設けられている。表面１２ａの他の領域には、遮熱層１４が部分的に接触している。より詳しく述べると、表面１２ａのうちの、中間層１６が設けられていない領域には、遮熱層１４を構成するセラミックス粒子の一部が接触している。
【００１５】
また、図１に示すように、遮熱層１４の表面１２ａとの接触部分には、割れ（クラック）１４ａが発生している。この割れ１４ａは主として、遮熱層１４の形成時に生じたものである。割れ１４ａが発生する理由は、アルミ基材１２の線膨張係数（一例として２３×１０−６／Ｋ）と遮熱層１４の線膨張係数（一例として１０×１０−６／Ｋ）の差が大きいためである。因みにこの割れ１４ａは、内燃機関の冷熱サイクル中に拡大することがある。また、内燃機関の冷熱サイクル中に新たな割れ１４ａが生じることもある。
【００１６】
一方、遮熱層１４の中間層１６との接触部分には、遮熱層１４の表面１２ａとの接触部分に見られた割れ１４ａの様な割れは存在しない。この理由は、中間層１６の線膨張係数（一例として８．５×１０−６／Ｋ）と遮熱層１４の線膨張係数の差が小さいためである。本実施の形態に係る遮熱膜１０では、中間層１６を応力緩和層として機能させ、アルミ基材１２と遮熱層１４の間の密着性を高めている。
【００１７】
なお、遮熱層１４の中間層１６との接触部分に割れが存在しない理由から分かるように、図１に示した割れ１４ａは、アルミ基材の線膨張係数と遮熱層の線膨張係数の差が小さいと形成され難くなる。そのため、本実施の形態に係る遮熱膜においては、アルミ基材の線膨張係数と遮熱層の線膨張係数の差が所定値（一例として１３×１０−６／Ｋ）以上となるように、遮熱層を構成するセラミックス粉末が選定され、または、溶射条件等が調整されることが望ましい。
【００１８】
また、図１に示すように、遮熱層１４において、表面１２ａとの接触部分よりも内側には、空隙１４ｂが多く形成されている。この空隙１４ｂは、遮熱層１４の形成過程において隣り合うセラミックス粒子間にできる隙間に由来するものである。因みに、中間層１６の上方に位置する部分にも空隙１４ｂの様な空隙は形成されているが、遮熱層１４の表面１２ａとの接触部分の上方に位置する部分に比べると、空隙の数は少ない。つまり、遮熱層１４においては、中間層１６の上方に位置する部分と、遮熱層１４の表面１２ａとの接触部分の上方に位置する部分とで、空隙の数（空孔率）が異なる。
【００１９】
ここで、遮熱層１４と中間層１６の両者は、アルミ基材よりも低い熱伝導率と体積熱容量を有している。そのため、図１に示した遮熱膜１０によれば、内燃機関の燃焼室内の作動ガスの温度に遮熱膜の表面温度を追従させることが可能となる。即ち、吸気行程では吸気の温度に、膨張行程では燃焼ガスの温度に、それぞれ遮熱膜１０の表面温度を追従させることが可能となる。よって、膨張行程での冷却損失を低減して燃費を向上でき、また、吸気行程での作動ガスの加熱によるノッキングの発生または異常燃焼の発生を抑制することもできる。
【００２０】
［遮熱膜の特徴］
図２は、図１に示した遮熱膜１０とは異なる遮熱膜が設けられたアルミ基材の縦断面模式図である。図２の右方に示す比較用の遮熱膜２０は、遮熱層２２と中間層２４とを備える点において、図１に示した遮熱膜１０と共通する。また、比較用の遮熱膜２０は、遮熱層２２と中間層２４の基本的な構成においても、図１に示した遮熱膜１０と共通する。即ち、遮熱層２２はセラミックス溶射膜から構成されており、中間層２４は陽極酸化膜から構成されている。但し、比較用の遮熱膜２０は、中間層２４が表面１２ａの全領域に設けられており、遮熱層２２が表面１２ａと接触していない点において、図１に示した遮熱膜１０と異なっている。
【００２１】
図２の左方には、図２の右方に示した遮熱層２２の形成中の様子が描かれている。ここに描かれるように、遮熱層２２の形成時には、セラミックス粒子２６が溶融状態で中間層２４の表面２４ａに吹き付けられることになる。表面２４ａに吹き付けられたセラミックス粒子２６は扁平し、隣接する溶融状態のセラミックス粒子２６と結合することで遮熱層２２を形成する。但し、表面２４ａ上に形成される遮熱層２２が、セラミックス粒子２６を表面１２ａに噴き付けることで形成される遮熱層よりもリジットになってしまう。何故なら、中間層２４を構成する陽極酸化膜は、アルミ基材１２よりも熱伝導率が低く、溶融状態のセラミックス粒子２６が表面２４ａに濡れ広がることができてしまうためである。
【００２２】
遮熱層２２がリジットな層であるということは、遮熱層２２を構成するセラミックス溶射膜の内部に空隙１４ｂの様な空隙が少ない（空孔率が高い）ことを意味する。そのため、図１に示した遮熱膜１０と比べ、遮熱層２２を備える遮熱膜２０は、熱伝導率と体積熱容量において高いものになる。
【００２３】
換言すると、図１に示した遮熱膜１０は、図２に示した遮熱膜２０に比べ、熱伝導率と体積熱容量において低いものになる。図３は、図１に示した遮熱層１４の形成中の様子と、遮熱層１４に割れ１４ａが形成されるまでの流れと、を示した図である。図３の左方に描かれるように、遮熱層１４の形成時において、表面１２ａに吹き付けられたセラミックス粒子２６は、表面１２ａによる熱引きがよく、濡れ広がり難くなる。そのため、図３の右方に描かれるように、表面１２ａの上方部分に空隙１４ｂが多く形成されることになる。また、その下方に描かれるように、表面１２ａとの接触部分に割れ１４ａが形成されることになる。図１に示した遮熱膜１０は、このようにして形成された割れ１４ａと空隙１４ｂによって、低い熱伝導率と体積熱容量を実現するものである。なお、割れ１４ａの形成理由が、アルミ基材の線膨張係数と遮熱層の線膨張係数の差にあることは、既に述べたとおりである。
【００２４】
［中間層１６の配置例］
図４乃至図５は、中間層１６の配置例を説明する図である。図４乃至図５には、中間層１６の形成後、かつ、遮熱層１４の形成前の表面１２ａが描かれている。図４に示す例では、円形状の中間層１６が表面１２ａに等間隔で配列されている。図５に示す例では、四角形状の中間層１６が表面１２ａに等間隔で配列されている。何れの例においても、表面１２ａにセラミックス粒子を溶射することで、表面１２ａの全領域を覆う遮熱層が形成されることになり、中間層１６の非形成領域において、この遮熱層が表面１２ａと接触することになる。
【００２５】
なお、図４乃至図５に示した中間層１６の非形成領域の面積が広くなり過ぎると、上述した応力緩和層としての機能が低下してしまう。そのため、本実施の形態に係る遮熱膜においては、遮熱層の形成領域の全体に占める中間層１６の非形成領域の面積割合が、６０％以下となっていることが望ましい。
【００２６】
［中間層１６の配置例］
図６乃至図７は、本発明の実施の形態に係る遮熱膜の中間層の形成手法の例を説明する図である。図１や図３で説明した中間層１６を表面１２ａ上に形成するためには、アルミ基材１２の陽極酸化を行う必要がある。アルミ基材１２の陽極酸化は、具体的には、アルミ基材１２を電解質溶液（一例として硫酸水溶液）に浸して電気を流すことにより行われる。図６は、中間層１６の非形成領域にマスキング３０を押し当てながら陽極酸化する例を示している。この場合は、マスキング３０が押し当てられていない領域に中間層１６が形成されることになる。図７は、中間層１６を形成する予定の領域に、電解質溶液を含んだスポンジ３２を押し当てながら陽極酸化する例を示している。この場合は、スポンジ３２が押し当てられている領域に中間層１６が形成されることになる。
【００２７】
［中間層１６の他の例］
図８は、本発明の実施の形態に係る遮熱膜の中間層の他の例を説明する図である。図１や図３で説明した中間層１６は、陽極酸化膜から構成されていた。しかし、中間層１６と同等の線膨張係数を有し、尚且つ、中間層１６と同等の熱伝導率と体積熱容量を有するセラミックス溶射膜から構成される中間層３４であれば、陽極酸化膜から構成される中間層１６の代わりとすることができる。セラミックス溶射膜から構成される中間層３４であれば、アルミ基材よりも低い熱伝導率と体積熱容量を実現することが可能となる。
但し、膜の形成過程を鑑みれば、陽極酸化膜から構成される中間層１６とアルミ基材１２の間の密着力に比べて、セラミックス溶射膜から構成される中間層３４とアルミ基材１２の間の密着力が小さくなってしまうことは否めない。そのため、中間層３４の形成に際しては、その線膨張係数が、アルミ基材１２の線膨張係数と遮熱層１４の線膨張係数の中間となるように、中間層３４を構成するセラミックス粉末（一例としてＮｉ基合金粉末）が選定され、または、中間層３４の溶射条件等が調整されることが望ましい。このような調整等を行うことで、中間層１６と同様に中間層３４を応力緩和層として機能させ、アルミ基材１２と遮熱層１４の間の密着性を高めることができる。
【符号の説明】
【００２８】
１０，２０  遮熱膜
１２  アルミニウム基材（アルミ基材）
１２ａ，１６ａ  表面
１４，２２  遮熱層
１４ａ  割れ（クラック）
１４ｂ  空隙
１６，２４，３４  中間層
２６  セラミックス粒子
３０  マスキング
３２  スポンジ
【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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