JP5928419B2 - 遮熱膜とその形成方法 - Google Patents
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Description
ここで、「常温」とは、15〜25℃程度の温度を意味している。
ここで、遮熱膜によるスイング効果について説明する。
図1は遮熱膜の実施の形態1を示した縦断面図である。図示する遮熱膜100は、ホーロー材からなるマトリックス層10と、マトリックス層10内に分散されている中空粒子20とから構成されており、マトリックス層10の一部が拡散接合層10’を形成してアルミニウム系の部材Wの壁面に形成される。なお、遮熱膜100の膜厚tは100μm程度である。
図3は遮熱膜の実施の形態2を示した縦断面図である。図示する遮熱膜100Aは、部材Wの壁面側の拡散接合層10’および下地層10Bと上層10Aの2層構造(拡散接合層10’は下地層10Bに含まれる)であり、下地層10Bは中空粒子を含んでおらず、上層10Aのみが中空粒子20を含んでおり、上層10A、下地層10Bそれぞれの厚みt1、t2はともに50μm程度である。なお、他の実施の形態として、下地層も中空粒子を含むものの、相対的に上層の中空粒子含有量の多い形態が挙げられる。
既述する遮熱膜の実施の形態1において、一般的な遮熱膜の形成方法を概説した。ここでは、形成方法自体に特徴のある遮熱膜の形成方法を説明する。すなわち、この形成方法は、機械加工前の鋳造段階でホーロー材からなる遮熱膜を形成する際に、遮熱膜中に巨大な気泡が発生し、膜強度の低下要因となるといった課題を解消することのできる形成方法である。
図7は、本発明の遮熱膜が内燃機関の燃焼室に臨む壁面に適用された例を示す縦断面図である。
本発明者等は、以下の方法で実施例にかかる遮熱膜を作成し、アルミナ素材の遮熱膜やアルマイト素材の遮熱膜(以上比較例)とともに、遮熱膜とアルミニウム系の部材の界面のせん断応力と遮熱膜内応力の関係を検証する実験をおこなった。さらに、実施例の遮熱膜の熱物性を測定し、実施例の遮熱膜とアルミ系の部材の界面のSEM写真を撮像するとともにEPMAライン分析をおこなった。
実施例にかかる遮熱膜は図3で示す2層構造のものを製作した。下地層は、ホーロー材として日本フリット製のバナジウム系ホーロー材(フリットと釉薬の混合材)を使用した。ここで、フリットの成分は、V2O5 を5〜10%、TiO2 を10〜20%、SiO2を30〜40%であり、釉薬の成分は、TiO2 を10〜20%、SiO2 を30〜40%であり、これらフリットと釉薬を10:9の割合で水に溶いて混合し、この混合材料をスプレー塗布にてアルミ板(Al-Mg-Si系合金でφ80mm×厚さ2mm)に50μm程度の厚みで吹付けた。
図8に、実施例と比較例の遮熱膜とアルミニウム系の部材の界面のせん断応力と遮熱膜内応力の関係を概算した結果を示す。
次に、実施例にかかる遮熱膜の熱物性を測定した。ここで、熱物性の測定方法に関し、密度測定は作成試料の重量と寸法よりアルミ材の重量を差し引いて遮熱膜の密度を測定した。また、熱拡散率測定は、測定法としてレーザフラッシュ法(NETZSCH製LFA457)を適用し、測定用試料はφ10mm、厚さ2mm(上記作成試料より加工切り出し)の寸法を有したものを使用し、測定条件は300K(27℃)とした。また、比熱容量は、測定法としてDSC法(NETZSCH製DSC404C )を適用し、測定用試料は上記作成試料からφ6mm、厚さ1mmサイズに8個切り出し、アルミを塩酸で溶解して遮熱膜のみを取り出し、測定条件は300K(27℃)とした。ここで、熱伝導率は、λ = Cp ・ ρ ・ α(λ:熱伝導率、Cp:比熱容量、ρ:密度、α:熱拡散率)にて計算し、体積比熱は、ρC=ρ・C(ρC:体積比熱、ρ:密度、C:比熱)にて計算している。図9に実施例の遮熱膜の熱物性測定結果を示している。
本発明者等は作成した実施例にかかる試料を断面カットし、断面のSEM写真を撮像するとともにEPMAライン分析をおこなった。その結果を図10に示している。
同図より、遮熱膜とアルミニウム系の部材の界面には拡散接合層が形成されていることが確認された。
本発明者等は、試料に常温−200℃の冷熱サイクルをかけ、界面のSEM写真を撮像するとともに、界面の観察をおこなった。
遮熱膜の端面から遮熱膜−部材界面に破壊箇所があるか否かを観察した結果、クラックは確認されなかった。
作成した資料の遮熱膜側からYAGレーザ(出力が1.4kW、照射面積がφ57mm)を5秒照射することで表面が500℃、遮熱膜−部材界面が200℃となり、遮熱膜内の温度差が300℃となる状態を繰り返し形成した。
本発明者等は、図4〜6で示す遮熱膜の形成方法の有効性を確認する実験をおこなった。この実験では、既述する実施例と同様の素材からなる遮熱膜を同様の素材のアルミ製のプレートに形成した試料を図11で示すように型内に収容し、型内に700℃のアルミの溶湯を充填し、冷却後に離型して試料を取り出した。そして、遮熱膜内の気泡の有無を確認し、さらに遮熱膜の表面の割れの有無を確認した。それらの結果を図12,13に示す。
本発明者等はさらに、上記する本発明の遮熱膜の形成方法で使用するプレートの厚みの最適範囲を特定する実験をおこなった。
本発明者等は、アルミニウム系の部材の表面に形成するホーロー材からなる遮熱膜の好適な材料を選定するべく、以下の表1で示す4種の材料を取り上げ、検証実験をおこなった。
Claims (6)
- 内燃機関の燃焼室を構成するアルミニウム系の部材の壁面に形成される遮熱膜であって、
前記遮熱膜は前記壁面に拡散接合しており、
前記遮熱膜は、常温〜200℃の温度範囲における線膨張係数が15〜25×10-6/Kで、ホーロー材からなるマトリックス層と、該マトリックス層内に分散されている中空粒子とからなる遮熱膜。 - 前記ホーロー材のガラス転移温度が400℃以下であり、耐熱温度が450℃以上である請求項1に記載の遮熱膜。
- 前記ホーロー材がシリカを含んでおり、
前記中空粒子がシリカ系の外殻を有し、その表面に親水基が修飾されている請求項1または2に記載の遮熱膜。 - 前記遮熱膜は、壁面側の下地層と上層の2層構造であり、
下地層は中空粒子を含まないか上層よりも少ない量の中空粒子を含んでいる請求項1〜3のいずれかに記載の遮熱膜。 - 中空粒子とガラスフリットと釉薬を混合した材料をアルミニウム系のプレートの表面に塗布し、加熱してガラスフリットを溶融させ、常温〜200℃の温度範囲における線膨張係数が15〜25×10-6/Kで、ホーロー材からなるマトリックス層と、該マトリックス層内に分散されている中空粒子とからなる遮熱膜をプレートの表面に形成してプレートとその表面の遮熱膜とからなる中間品を製造する第1のステップ、
鋳型内に中間品を収容し、中間品のプレート側にアルミニウム系の溶湯を鋳込み、溶湯の硬化体とこの硬化体と一体となっているプレートとからなるアルミニウム系の部材の壁面に遮熱膜を形成する第2のステップからなる遮熱膜の形成方法。 - 前記プレートの厚みが1mm〜2mmの範囲である請求項5に記載の遮熱膜の形成方法。
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