(57)【要約】【課題】冷却性能の高い冷媒通路及びその製造方法を提供すること。【解決手段】通路部位１２を有する軽合金製の母材１４と、該通路部位の内壁面を被覆する被膜１６とを備える冷媒通路であって、上記被膜の熱放射率が、上記母材の熱放射率よりも高いことを特徴とする冷媒通路。特に母材がアルミニウム合金であり、被膜が陽極酸化処理により形成された酸化アルミニウムであって、その被膜の熱放射率が０．４よりも高く、膜厚が１．０〜１００．０μｍ、硬度が２００〜６００ＨＶである。また、母材を電解液中に浸漬し、次いで、その電解液を通路部位に圧入して陽極酸化処理を施すことを特徴とする冷媒通路の製造方法。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
通路部位を有する軽合金製の母材と、該通路部位の内壁面を被覆する被膜とを備える冷媒通路であって、
上記被膜の熱放射率が、上記母材の熱放射率よりも高いことを特徴とする冷媒通路。  
【請求項２】
上記軽合金が、アルミニウム合金及び／又はマグネシウム合金であることを特徴とする請求項１に記載の冷媒通路。
【請求項３】
上記軽合金が、アルミニウム合金であることを特徴とする請求項１又は２に記載の冷媒通路。
【請求項４】
上記被膜の熱放射率（εｃ）及び上記母材の熱放射率（εｍ）が、次式（１）
１．０＜εｃ／εｍ＜２．５・・・（１）
を満足することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つの項に記載の冷媒通路。
【請求項５】
上記被膜が酸化物又は窒化物から成るセラミクスであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つの項に記載の冷媒通路。
【請求項６】
上記セラミクスが酸化物から成り、この酸化物セラミクスが酸化アルミニウムであることを特徴とする請求項５に記載の冷媒通路。
【請求項７】
上記セラミクスが陽極酸化処理により形成された陽極酸化被膜であることを特徴とする請求項５又は６に記載の冷媒通路。
【請求項８】
上記陽極酸化被膜の膜厚が、１．０〜１００．０μｍであり、且つ該陽極酸化被膜の硬度が２００〜６００ＨＶであることを特徴とする請求項７に記載の冷媒通路。
【請求項９】
請求項７又は８に記載の冷媒通路を製造するに当たり、
上記母材を電解液中に浸漬し、次いで該電解液を上記通路部位に圧入して陽極酸化処理を施すことを特徴とする冷媒通路の製造方法。
【請求項１０】
請求項１〜８のいずれか１つの項に記載の冷媒通路を備えることを特徴とする内燃機関用シリンダヘッド。  
【請求項１１】
請求項１〜８のいずれか１つの項に記載の冷媒通路を備えることを特徴とする内燃機関用シリンダブロック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷媒通路及びその製造方法に係り、更に詳細には、通路部位の内壁面に所望の熱放射率の被膜を備える冷媒通路、特にその被膜が陽極酸化被膜である冷媒通路及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、自動車等の内燃機関での燃費及び出力性能の向上においては、内燃機関の効率化及び軽量化を両立させることが普遍的な開発課題となっている。例えば、効率を上げるために圧縮比を向上させようとした場合、発生熱が過大となるために内燃機関においてノッキングや使用環境温度の増大による強度低下などが起こり、それが圧縮比の向上ひいては効率化の限界となる。この過大な発生熱の対策として、部品の大型化や、水冷用配管の付設などの方法が挙げられるが、前者は軽量化の面から非常に不利なため、ほとんどの乗用車用内燃機関は水冷方式を採用し、効率化を図っている（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平０５−１２５９４１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、近年の高効率化要求は更に高まり、それに伴って更なる冷却性能の向上が求められている。その対処方法として、例えば冷却水等が通過する冷媒通路において、その通路と壁面間の距離を短縮したり、通路に絞り部を設けて流速を上げる等の方法により冷却性能を向上させることが挙げられるが、強度・剛性の低下や、圧損の増大などの問題点が新たに生じることが想定されるため現実的な方法ではない。
【０００４】
本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、冷却性能の高い冷媒通路及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意検討を重ねた結果、軽合金製母材の通路部位に所定の被膜を設けることにより上記目的が達成されることを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００６】
即ち、本発明の冷媒通路は、通路部位を有する軽合金製の母材と、その通路部位の内壁面を被覆する被膜とを備え、その被膜の熱放射率が、上記母材の熱放射率よりも高いことを特徴とする。
【０００７】
また、本発明の冷媒通路の製造方法は、上述の冷媒通路のうち被膜が陽極酸化被膜から成る冷媒通路の製造方法である。上記母材を電解液中に浸漬し、次いで、該電解液を上記通路部位に圧入して陽極酸化処理を施すことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、軽合金製母材の通路部位に所定の被膜を設けることとしたため、冷却性能の高い冷媒通路及びその製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の冷媒通路につき、図面を参照して詳細に説明する。なお、本明細書において、濃度、含有量及び配合量などについての「％」は、特記しない限り質量百分率を表すものとする。
【００１０】
図１は本発明の冷媒通路が配設されたシリンダヘッドの一例を示す概略図であり、図２は本発明の冷媒通路の一実施形態を示す断面図である。図２において、この冷媒通路は、通路部位１２を有する母材１４と、その通路部位１２の内壁を被覆する被膜１６を備えている。被膜１６の熱放射率は、母材１４の熱放射率よりも高い。
このように本発明の冷媒通路は、従来からの冷媒通路の形状をそのまま継承し得るものであるので、形状の変更による強度・剛性の低下や、圧損の増大などを回避することができる。
【００１１】
母材１４の材質は軽合金であり、アルミニウム合金、マグネシウム合金のいずれか一方又は双方とすることができるが、コスト、軽量化代、取り扱いの容易さ等の観点からアルミニウム合金が特に好ましい。
【００１２】
被膜１６は、冷媒と接する部分である通路部位１２の内壁の一部又は全部を被覆するものであるが、冷却効率の観点から通路部位の内壁全面を被覆していることが好ましく、また、酸化物セラミクス又は窒化物セラミクスで形成されていることが好ましい。
一般に酸化物セラミクス等の酸化物は熱放射率が高いため、通路部位の内壁面に設けられた場合には、その内壁面から冷媒への熱移動を効果的に促進し得る。
【００１３】
上記被膜を上記通路部位の内壁に被覆する方法として、化学的蒸着、物理的蒸着、溶射等の方法を用いることができるが、複雑形状の内壁面に被膜を形成することは困難な場合があり、生産性の観点から陽極酸化被膜を形成する陽極酸化処理を行うことが有利である。
【００１４】
例えば、母材がアルミニウム合金である場合は、上記陽極酸化被膜はアルミニウム合金を電極とした陽極酸化処理により生成される酸化アルミニウムであることが好ましい。
ただし陽極酸化処理以外の方法で被膜が形成される場合は、母材がアルミニウム合金であっても被膜は酸化アルミニウム以外の酸化セラミクスとすることができ、反対に被膜が酸化アルミニウムであっても、母材はアルミニウム以外の軽合金とすることができる。
【００１５】
上述のように通路部位の内壁上に直接被膜を形成させる方法以外に、被膜を備えた通路部位を作製する方法としては、通路部位の形状に合致する管状の被膜構造体（例えば、パイプ）を別体として作製後、その被膜構造体を該通路部位に嵌合する方法が挙げられる。
【００１６】
上記被膜の熱放射率（εｃ）及び上記母材を形成する軽合金の熱放射率（εｍ）は、次式（１）：
１．０＜εｃ／εｍ＜２．５・・・（１）
を満足することが好ましい。例えば、母材が熱放射率０．４の一般的なアルミニウム合金の場合は、その被膜の熱放射率は０．４よりも高く、１．０未満の値であることが好ましく、例えば０．８０〜０．９５である。
【００１７】
ここで熱放射率とは、黒体の放射エネルギーを１とした時の被測定物の放射エネルギーを表す割合であり、赤外線分光装置などを用いて測定することにより求められる。
なお、物体は温度に応じて電磁波によるエネルギーを放射または吸収しており、そのエネルギーによる熱交換現象を熱放射という。
【００１８】
上記被膜が陽極酸化被膜である場合、膜厚は１．０〜１００．０μｍであり、且つ硬度は２００〜６００ＨＶであることが好ましい。
膜厚が１．０μｍ未満の場合は、母材のばらつきを考慮すると冷却性能の効果を維持することが困難となる場合があり、１００．０μｍを超える場合は、該被膜自体の歪みが大きくなり使用中の亀裂の発生によって剥離することがあり得るからである。
また硬度は、膜の亀裂の発生原因である切り欠き感受性と密接な関係があり、可能な限り低いことが望まれるが、陽極酸化被膜の場合は２００ＨＶよりも低い硬度の膜を得ることが難しく、６００ＨＶを超える硬度では、亀裂の発生頻度が高くなる傾向にあることから、上記範囲に規定した。
【００１９】
なお、上述の陽極酸化被膜の膜厚及び硬度と亀裂発生との関係を確認するために、表１に示す膜厚と硬度を有する陽極酸化被膜について、被膜の亀裂の発生有無を確認した。具体的には、試験片として表１に記載の陽極酸化被膜各々についての板状テストピースを用意し、ヒートサイクル試験（試験温度：高温側は３５０℃、低温側は室温）を１００回行った後に亀裂の発生有無を確認した。
【００２０】
結果を表１及び図３に示す。これらの結果より、本試験においては、陽極酸化被膜の硬度が約４００ＨＶである陽極酸化被膜Ａでは、被膜膜厚が１００μｍを超えるまで亀裂が発生しないが、１００μｍを超えた場合には亀裂が発生することがあること、また硬度が約６００ＨＶとなる陽極酸化被膜Ｃでは、膜厚に関係なく亀裂が発生するおそれがあることが確認できた。
【００２１】
【表１】
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【００２２】
次に、本発明の冷媒通路の製造方法の一実施形態について、シリンダヘッドに設けた冷媒通路を例にとって説明する。
本実施形態は、未被覆の通路部位を有するシリンダヘッドの中間加工品（母材）を電解液槽中で通電させて陽極酸化処理を行うものである。
【００２３】
上記シリンダヘッドの中間加工品は、アルミニウム合金の溶解鋳造により各部品粗材を作製し、その後、熱処理を行うことで得ることができる。
また上記陽極酸化処理の工程は、該中間加工品が陽極になるように配線した状態で通電することで行われる。なお、該中間加工品は治具で固定され、その通路部位以外の部位、例えば吸排ポートなどは被膜の付着防止用のマスキングがされていることが好ましい。
【００２４】
上記電解液槽中では、通路部位の内壁全面に電解液を接触させるために、例えば電解液中に樹脂製ポンプを設置して通路部位の開口部に向けて電解液流を射出するなどの方法をとることが好ましい。その際、該電解液を循環させることが更に好ましい。単に電解液に浸漬しただけでは、通路部位は複雑な閉空間であるために陽極酸化処理中に空気だまりや電解液の停滞が発生し、均一な酸化被膜を形成することが困難となるからである。
【００２５】
酸化被膜が均一に形成されない場合には、ヒートスポットの発生による性能の低下や、陽極酸化処理時の発生歪による強度の低下の恐れがあるが、本実施形態では、上述のように電解液を圧入し、冷媒通路全面に電解液を充填することで均一な被膜を得ることができる。
【００２６】
陽極酸化処理の処理時間は、形成する膜厚の目標値によって決めることができる。所定の処理時間をかけて陽極酸化処理を行った後、必要に応じて洗浄及び熱湯封孔処理を行うことで本形態の冷媒通路を得ることができる。
【００２７】
このように作製した冷媒通路により、燃焼室全体の温度を効率的に低下させ、ノッキングの発生を抑制することで、圧縮比向上による省燃費効果が期待できる。また冷却性能を現状維持する条件では、冷媒通路内を通る冷媒量を低減できるので、補機損失低減による省燃費効果が期待できる。更に、部品温度を効率的に下げることができるので、その環境中の部材の強度がより高くなるため、肉厚低減などの軽量化を達成したエンジンの提供に貢献し得る。
【実施例】
【００２８】
以下、本発明を実施例及び比較例により更に詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
【００２９】
（実施例１〜４、比較例１〜２）
表２に示す実施例・比較例のそれぞれの評価用試験部品について、陽極酸化被膜を以下の条件によって形成した。
・浴液温度・・・室温
・電流密度・・・２〜８Ａ／ｄｍ２
また、膜厚は陽極酸化処理時間を３〜１０分の間で変えることによって、硬度及び放射率は電解液の種類を変えることによって調製した。
なお、これらの試験部品は、実機相当のシリンダヘッドであり、エンジンに組み込む為に陽極酸化及び封孔処理後に機械加工を施し、以下の評価に供した。
【００３０】
【表２】
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【００３１】
（エンジン実機評価）
エンジン実機での燃焼室温度測温を行った。評価には、水冷４ストローク４バルブ直列４気筒１６００ｃｃガソリンエンジンを使用した。８００ｒｐｍから６０００ｒｐｍまでの回転数で十分な時間経過後に燃焼室温度を測定し、得られた温度を冷却効果の指標とし、図４に評価結果を示した。
【００３２】
図４は、被膜処理を行わなかった例（比較例１）の燃焼室壁温を基準値とし、各実施例・比較例の燃焼室壁温と該基準値との差を「燃焼室壁温低下代」として表した燃焼室壁冷却効果の評価結果である。この図からも明らかなように、実施例１及び２では、アイドリング付近から６０００ｒｐｍまでの燃焼室壁温度が低減した。実施例３は、実施例１及び２の陽極酸化処理条件を変更して放射率を向上させたものであり、さらに大きな燃焼室壁温の低減効果が得られた。また実施例１及び２の部品構成材料を変更した実施例４においても、燃焼室壁温の低減効果が得られた。一方、アルミニウム合金よりも低い熱放射率を有するＣｒめっき処理を施した比較例２では、燃焼室壁温の低減効果が得られず、被膜処理を行わなかった比較例１よりも壁温が上昇した。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の冷媒通路が配設されたシリンダヘッドの一例を示す概略図である。
【図２】本発明の冷媒通路の一実施形態を示す断面図である。
【図３】陽極酸化被膜の膜厚及び硬度と、亀裂の発生との関係を示すグラフである。
【図４】エンジン実機における燃焼室壁冷却効果を表したグラフである。
【符号の説明】
【００３４】
１０冷媒通路
１２通路部位
１４母材
１６被膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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