遮熱膜及びその形成方法
【課題】遮熱性及び耐久性に優れた遮熱膜２００を提供する。
【解決手段】中空粒状体を内部に分散させたバインダからなる遮熱膜であって、中空粒状体はバインダと基材との界面まで分布させる。
【解決手段】中空粒状体を内部に分散させたバインダからなる遮熱膜であって、中空粒状体はバインダと基材との界面まで分布させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、耐熱性が高い遮熱膜及びその形成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱伝導率の低いセラミックス（例えば、ジルコニア）からなる単一材料の遮熱膜を内燃機関の燃焼室内壁に形成することで、燃焼室内の燃焼ガスからの熱伝達を低下させて熱効率の向上を図る技術が開示されている（非特許文献１，２）。
【０００３】
また、構造体部品の表面に耐熱性材質の被覆層を柱状晶組織，微細結晶粒組織、又は柱状晶組織と微細結晶粒組織で積層させる技術が開示されている（特許文献１）。この耐熱被覆層は熱応力の負荷により膜厚方向に微細なクラックを生じて熱応力と緩和することができる。
【０００４】
また、膜の材料を基材上に滴下してスピンコートすることよって基材上に膜を形成する技術において、滴下開始時と滴下終了時の基材の回転速度を変化させることで塗膜内の異物を低減し、均一な厚さの膜を形成する技術が開示されている（特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平９−３６４７号公報
【特許文献２】特開２００１−３００４０８号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Gerhard Woschni他,"Heat Insulation of Combustion Chamber Walls - A Measure to Decrease the Fuel Combustion of I.C. Engines?",SAE Paper 870339,Society of Automotive Engineers,1987
【非特許文献２】Victor W.Wong他,"Assessment of Thin Thermal Barrier Coatings for I.C. Engines",SAE Paper 950980,Society of Automotive Engineers,1995
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
遮熱材料として熱伝導率の低いセラミックスを使用した場合、金属に比べて熱膨張率が低く、高温に曝されて温度が上昇した際に基材との熱膨張差によって割れや剥離が生じ易い。
【０００８】
また、バインダに中空体を混合させて遮熱膜の特性を向上させる技術がある。ここで、バインダに中空体を混合させてスピンコート等の従来技術により基材に塗布すると、中空体の浮力によってバインダの上部に中空体が浮き、バインダと基材との界面付近には中空体が存在しない領域が発生し、バインダ内に中空体を均一に分散させることができない。
【０００９】
このような構造では、遮熱性が低下するおそれがある。また、バインダの上部に中空体が密に存在することによって、基材との熱膨張差によって割れや剥離が生じ易い。
【００１０】
本発明は、上記課題を鑑み、遮熱性及び耐久性が高い遮熱膜及びその形成方法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】
【００１１】
本発明の１つの態様は、中空粒状体を内部に分散させたバインダからなる遮熱膜であって、前記中空粒状体は、前記バインダと基材との界面まで分布していることを特徴とする。
【００１２】
ここで、前記バインダ内に分散する前記中空粒状体間に空孔が形成されていることが好適である。特に、前記バインダ内の前記空孔の体積割合は３０％以下であることがより好適である。また、前記空孔の平均径は中空粒状体の平均径よりも小さいことが好適であり、具体的には４０μｍ以下であることが好適である。
【００１３】
また、前記中空粒状体の殻は、純度が９５重量％以上のシリカガラスであることが好適である。
【００１４】
また、本発明の別の態様は、基材上に遮熱膜を形成する方法であって、殻で囲まれた中空部を有する中空粒状体を含むバインダをスプレイで基材上に塗布する塗布工程と、基材上に塗布された前記中空粒状体及び前記バインダを加熱して焼成する焼成工程と、を含むことで、前記中空粒状体を有する遮熱膜を基材上に形成することを特徴とする。
【００１５】
ここで、前記塗布工程と前記焼成工程を複数回繰り返すことによって遮熱膜を前記基材上に形成することが好適である。
【００１６】
これにより、前記バインダ内に分散する前記粒子間に空孔を形成することが好適である。また、前記バインダ内の前記空孔の体積割合を３０％以下とすることが好適である。さらに、前記空孔の平均径は前記粒子の平均径よりも小さくすることが好適であり、具体的には４０μｍ以下とすることが好適である。
【００１７】
また、前記粒子の殻は、純度が９５重量％以上のシリカガラスとすることが好適である。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、遮熱性及び耐久性が高い遮熱膜及びその形成方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施形態に係る製造方法により製造された内燃機関の概略構成を示す図である。
【図２】遮熱膜を形成する方法の一例を説明するフローチャートである。
【図３】遮熱膜を形成する方法の一例を説明する図である。
【図４】遮熱膜を形成するスプレイ法を説明する模式図である。
【図５】遮熱膜を形成する方法の一例を説明する図である。
【図６】遮熱膜を形成する方法の一例を説明する図である。
【図７】遮熱膜を形成する方法の一例を説明する図である。
【図８】遮熱膜のシリカガラスの純度と耐熱性との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明の実施の形態に係る遮熱膜は、図１に示す内燃機関１００の構造体部品の表面に形成される。内燃機関（エンジン）１００は、シリンダブロック１０及びシリンダヘッド１２を備える。シリンダブロック１０内には、その軸線方向に往復運動するピストン１４が収容されている。ピストン１４の頂面１４ａ、シリンダブロック１０の内壁面１０ａ、及びシリンダヘッド１２の下面１２ａに囲まれた空間は、燃焼室１６を形成する。シリンダヘッド１２には、燃焼室１６に連通する吸気ポート１８、及び燃焼室１６に連通する排気ポート２０が形成されている。さらに、吸気ポート１８と燃焼室１６との境界を開閉する吸気弁２２、及び排気ポート２０と燃焼室１６との境界を開閉する排気弁２４が設けられている。シリンダブロック１０には、冷却水ジャケット２６が形成されており、冷却水ジャケット２６に冷却水が供給されることで、内燃機関１００の冷却が行われる。
【００２１】
なお、図１では、説明の便宜上、燃料噴射弁や点火栓等の構成の図示を省略しているが、本実施形態に係る内燃機関１００は、ディーゼルエンジン等の圧縮自着火式内燃機関であってもよいし、ガソリンエンジン等の火花点火式内燃機関であってもよい。圧縮自着火式内燃機関の場合は、例えばピストン１４が圧縮上死点付近に位置するときに燃料噴射弁から燃焼室１６内に燃料を噴射することで、燃焼室１６内の燃料が自着火して燃焼する。火花点火式内燃機関の場合は、点火時期にて点火栓の火花放電により燃焼室１６内の混合気に点火することで、燃焼室１６内の混合気を火炎伝播燃焼させる。燃焼室１６内の燃焼ガスは、排気行程にて排気ポート２０へ排出される。
【００２２】
本実施形態では、燃焼室１６を形成する構造体部品の少なくとも一部の、燃焼室１６内に臨む（面する）壁面上には、燃焼室１６内の燃焼ガスから構造体部品への伝熱を抑制するための遮熱膜２００が形成されている。
【００２３】
ここでは、燃焼室１６を形成する構造体部品として、シリンダブロック（シリンダライナ）１０、シリンダヘッド１２、ピストン１４、吸気弁２２及び排気弁２４を挙げることができる。そして、燃焼室１６内に臨む壁面として、シリンダブロック内壁面（シリンダライナ内壁面）１０ａ、シリンダヘッド下面１２ａ、ピストン頂面１４ａ、吸気弁底面（傘部底面）２２ａ、及び排気弁底面（傘部底面）２４ａのいずれか１つ以上を挙げることができる。図１では、シリンダブロック内壁面１０ａ、シリンダヘッド下面１２ａ、ピストン頂面１４ａ、吸気弁底面２２ａ、及び排気弁底面２４ａの各々に遮熱膜２００を形成した例を示している。ただし、必ずしもシリンダブロック内壁面１０ａ、シリンダヘッド下面１２ａ、ピストン頂面１４ａ、吸気弁底面２２ａ、及び排気弁底面２４ａのすべてに遮熱膜２００を形成する必要はない。すなわち、遮熱膜２００は、シリンダブロック内壁面１０ａ、シリンダヘッド下面１２ａ、ピストン頂面１４ａ、吸気弁底面２２ａ及び排気弁底面２４ａのいずれか１つ以上に形成することでいくらかの効果は得ることができる。
【００２４】
次に、本実施形態に係る内燃機関１００の製造方法、特に、遮熱膜２００を形成する方法について説明する。なお、遮熱膜２００を形成する工程以外の内燃機関１００の製造工程については、周知の工程で実現可能である。
【００２５】
図２は、遮熱膜２００を形成する方法の一例を説明するフローチャートである。まずステップＳ１００の粒子製造工程においては、図３に示すように、遮熱用材料として、周りを殻３１ｂとなる材料で形成した中空部３１ａを有する粒子３１を製造する。ここでの殻３１ｂとなる材料は、後述するバインダよりも弾性率が低い材料とする。
【００２６】
粒子３１としては、例えば、殻３１ｂとしてシリカ（二酸化珪素、ＳｉＯ2）を主成分とする微細多孔構造の断熱材を挙げることができる。特に、バインダとしてジルコニア（ＺｒＯ2）、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）、窒化珪素や炭化珪素やコージェライト等のセラミック材料を用いた場合、殻３１ｂとなる材料はシリカ（二酸化珪素、ＳｉＯ2）とすることが好適である。ジルコニアの縦弾性係数は２４５ＧＰａ程度であり、炭化ケイ素の縦弾性係数は４５０ＧＰａ程度であるので、縦弾性係数が２４０ＧＰａ以下、より好ましくは６５ＧＰａ以上９０ＧＰａ以下であるシリカを殻３１ｂとなる材料として用いることが好適である。
【００２７】
また、殻３１ｂとなる材料は、高純度のシリカとすることが好適である。すなわち、純度が９５重量％以上のシリカとすることが好適である。また、各粒子３１の平均外径は１００μｍ以下、より好ましくは５０μｍ以下とすることが好適である。
【００２８】
なお、粒子３１の平均径は、例えば、最終的に形成される遮熱膜２００の顕微鏡観察の断面図における粒子３１の断面積を平均し、その平均値を粒子３１の断面が円であると仮定した場合の直径として換算して求めることができる。
【００２９】
次に、ステップＳ１０２の薄膜塗布工程では、バインダ３２に粒子３１を多数分散させて基材に塗布する。すなわち、多数の粒子３１をバインダ３２に混入させ、図４に示すように、構造体部品３０の壁面３０ａ上に薄膜状に塗布することで、バインダ３２と多数の粒子３１とを含む薄膜２００を構造体部品３０の壁面３０ａ上に形成する。薄膜２００の厚さは、例えば約１００μｍ程度とすることが好適である。
【００３０】
本実施の形態では、粒子３１とバインダ３２との混合液をスプレイ法により構造体部品３０の壁面３０ａ上に塗布する。具体的には、図４に示すように、スプレイガン４０を用いて粒子３１とバインダ３２との混合液を壁面３０ａ上に塗布する。
【００３１】
バインダ３２は、構造体部品３０以下の熱伝導率を有し、構造体部品３０よりも低いまたは構造体部品３０とほぼ同等の単位体積あたりの熱容量を有する材料とすることが好適である。一方、粒子３１は、構造体部品３０よりも低い熱伝導率及び構造体部品３０よりも低い単位体積あたりの熱容量を有することが好適である。
【００３２】
バインダ３２は、燃焼室内等の高温及び高圧の燃焼ガスに対する耐熱性及び耐圧性を有しており、粒子３１よりも高い耐熱温度を有し、且つ粒子３１よりも高い強度を有する。
【００３３】
一方、多数の粒子３１は、バインダ３２の内部に混入されていることで、燃焼室１６内の燃焼ガスとは接触しない。バインダ３２は、燃焼室１６内の燃焼ガスから構造体部品３０への伝熱を抑制する機能の他に、粒子３１を燃焼室１６内の高温及び高圧の燃焼ガスから保護する保護材としての機能も有する。バインダ３２は、多数の粒子３１をつなぐ接着材としての機能も有する。一方、粒子３１は、断熱用薄膜２００全体での熱伝導率及び単位体積あたりの熱容量を下げる機能を有する。
【００３４】
バインダ３２の具体例としては、例えばジルコニア（ＺｒＯ2）、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）、窒化珪素や炭化珪素等のセラミックを挙げることができる。さらに、これらの材料を複数組み合わせてバインダ３２に用いることもできる。塗布時には、粘度を調整するために、水等の溶媒を用いてもよい。
【００３５】
ジルコニアにおいては、熱伝導率λは２．５［Ｗ／(ｍ・Ｋ)］程度であり、単位体積あたりの熱容量ρＣは２５００×１０3［Ｊ／(ｍ3・Ｋ)］程度であり、耐熱温度Ｔｍは２７００［℃］程度であり、強度（曲げ強度）σは１４７０［ＭＰａ］程度である。ジルコニアの他に、コージェライト（熱伝導率λは４［Ｗ／(ｍ・Ｋ)］程度、単位体積あたりの熱容量ρＣは１９００×１０3［Ｊ／(ｍ3・Ｋ)］程度）も用いることができ、さらに、アルミナ系や窒化珪素系のセラミックも一部混合して用いることができる。また、例えば、シリコン、チタンまたはジルコニウム、炭素、及び酸素を含んで構成することができ、この場合、熱伝導率λは２．５［Ｗ／(ｍ・Ｋ)］程度であり、単位体積あたりの熱容量ρＣは１６００×１０3［Ｊ／(ｍ3・Ｋ)］程度であり、耐熱温度Ｔｍは１３００［℃］程度であり、強度（引張強度）σは３３００［ＭＰａ］程度である
【００３６】
スプレイ法を適用することによって、空気を巻き込みながらバインダ３２を壁面３０ａ上に塗布することができ、バインダ３２の乾燥が早くなり、塗布後のバインダ３２内で浮力により粒子３１が浮く前にバインダ３２の固化が始まる。これにより、図５の断面図に示すように、形成される遮熱膜２００の下部、すなわちバインダ３２と壁面３０ａとの界面付近から遮熱膜２００の上部まで粒子３１を偏ることなく分散させることができる。
【００３７】
バインダ３２への粒子３１の充填率は５０％以上７０％未満とすることが好適である。スプレイ法を用いて、塗布する圧力を調整しつつ粒子３１を上記充填率で分散させることによって、図６の拡大断面図に示すように、空気を巻き込みながら塗布されたバインダ３２内には粒子３１間に空孔３３が形成される。
【００３８】
なお、薄膜２００内の粒子３１の充填率は、最終的に形成される遮熱膜２００の顕微鏡観察の断面図において、遮熱膜２００の全断面積に対する粒子３３に相当する領域の面積の割合として求めることができる。
【００３９】
また、空孔３３は、遮熱膜２００内の体積割合として最大で３０％以下とすることが好適である。また、空孔３３の平均径は粒子３１の平均径よりも小さくすることが好適である。例えば、粒子３１の平均径は５０μｍ以下とすることが好適であるので、空孔３３の平均径は４０μｍ以下とすることが好適である。
【００４０】
なお、遮熱膜２００内の空孔３３の体積割合は、遮熱膜２００の顕微鏡観察の断面図において、遮熱膜２００の全断面積に対する空孔３３に相当する領域の面積の割合として求めることができる。また、空孔３３の平均径は、例えば、遮熱膜２００の顕微鏡観察の断面図における空孔３３の断面積を平均し、その平均値を空孔３３の断面が円であるとして仮定した場合の直径として換算して求めることができる。
【００４１】
バインダ３２のセラミック材料（例えばジルコニア）は、塗布後に粒子３１が浮力により浮かない程度に固化するが、まだ焼成されておらず、緻密化されていない状態となる。すなわち、セラミック材料は、粗な構造であり、完全には固化されていない。
【００４２】
なお、構造体部品３０は、シリンダブロック（シリンダライナ）１０であってもよいし、シリンダヘッド１２であってもよいし、ピストン１４であってもよいし、吸気弁２２であってもよいし、排気弁２４であってもよい。すなわち、構造体部品３０の壁面３０ａは、シリンダブロック内壁面（シリンダライナ内壁面）１０ａであってもよいし、シリンダヘッド下面１２ａであってもよいし、ピストン頂面１４ａであってもよいし、吸気弁底面２２ａであってもよいし、排気弁底面２４ａであってもよい。
【００４３】
また、構造体部品３０の材料の具体例としては、例えば鉄（鋼）、アルミニウムもしくはアルミニウム合金、またはセラミック等を挙げることができる。鉄においては、熱伝導率λは８０．３［Ｗ／(ｍ・Ｋ)］程度であり、単位体積あたりの熱容量ρＣは３５００×１０3［Ｊ／(ｍ3・Ｋ)］程度である。アルミニウムにおいては、熱伝導率λは１９３［Ｗ／(ｍ・Ｋ)］程度であり、単位体積あたりの熱容量ρＣは２４００×１０3［Ｊ／(ｍ3・Ｋ)］程度（ジルコニアとほぼ同等）である。例えば、構造体部品３０に鉄（鋼）、バインダ３２にセラミック（ジルコニア）、粒子３１にシリカビーズを用いる場合は、バインダ３２の熱伝導率及び単位体積あたりの熱容量は構造体部品３０よりも低くなり、粒子３１の熱伝導率及び単位体積あたりの熱容量はバインダ３２よりも低くなる。そして、バインダ３２の耐熱温度及び強度が粒子３１よりも高くなる。
【００４４】
次に、ステップＳ１０４の焼成用加熱工程では、図７に示すように、薄膜２００を加熱して、粒子３１の殻３１ｂを緻密化させるとともにバインダ３２を焼成する。ここでの薄膜２００の加熱では、赤外線による加熱や、レーザによる加熱や、火炎（バーナ）による加熱を用いることが可能である。ここでは、薄膜２００の温度が約２００℃以上２５０℃以下の温度で焼成処理を行う。これにより、バインダ３２が焼成される。以上の工程により、各粒子３１内に中空部３１ａを有する遮熱膜２００が構造体部品３０の壁面３０ａ上に形成される。
【００４５】
内燃機関のシリンダ内における熱損失Ｑ［Ｗ］については、シリンダ内の圧力やガス流に起因する熱伝達係数ｈ［Ｗ／(ｍ2・Ｋ)］、シリンダ内の表面積Ａ［ｍ2］、シリンダ内のガス温度Ｔｇ［Ｋ］、及びシリンダ内に面する（シリンダ内の燃焼ガスと接触する）壁面の温度Ｔｗａｌｌ［Ｋ］を用いて、以下の（１）式で表すことができる。
Ｑ＝Ａ×ｈ×（Ｔｇ−Ｔｗａｌｌ） （１）
【００４６】
内燃機関のサイクルにおいては、シリンダ内ガス温度Ｔｇが時々刻々変化するが、壁面温度Ｔｗａｌｌをシリンダ内ガス温度Ｔｇに追従させるよう時々刻々変化させることで、（１）式における（Ｔｇ−Ｔｗａｌｌ）の値を小さくすることができ、熱損失Ｑを低減することができる。壁面温度Ｔｗａｌｌをシリンダ内ガス温度Ｔｇに追従させるよう変化させるためには、燃焼室内に臨む壁面に形成する遮熱膜については、熱伝導率及び単位体積あたりの熱容量が低いことが望ましい。
【００４７】
本実施形態では、遮熱膜２００内に中空部３１ａが形成されていることで、遮熱膜２００の熱伝導率及び単位体積あたりの熱容量を低くすることができる。その結果、燃焼室壁面温度Ｔｗａｌｌのシリンダ内ガス温度Ｔｇへの追従性を向上させることができ、内燃機関１００の熱効率を向上させることができる。
【００４８】
また、本実施の形態では、スプレイ法を適用することによって、空気を巻き込みながらバインダ３２を壁面３０ａ上に塗布することができ、形成される遮熱膜２００の下部から上部まで粒子３１を偏ることなく分散させることができる。したがって、熱伝導率を遮熱膜２００の下部から上部まで均一化でき、遮熱効果を高めることができる。
【００４９】
また、遮熱膜２００のバインダ３２内にバインダ３２よりも低い弾性率を有するシリカガラスの殻３１ｂを有する粒子３１を混入させているため、母材となる構造体部品３０の壁面３０ａが加熱された場合であっても母材との界面に生ずるせん断応力を小さくすることができ、大きな歪みにも耐えられるものとなる。
【００５０】
すなわち、遮熱膜２００の内部で破断が発生しないためには、膜が変形した状態で発生するせん断応力以上の強度があればよく、母材との熱膨張の差によって母材界面に発生するせん断応力は、遮熱膜２００の弾性率に比例して低下するので、バインダ３２内部にバインダ３２よりも低い弾性率を有するシリカガラスの殻３１ｂを有する中空の粒子３１を分散させることによってせん断応力を低下させ、より大きな歪みに耐えられるものとしている。
【００５１】
なお、バインダ３２への粒子３１の充填率を５０％以上９０％以下、より好ましくは６０％以上７０％未満とすることによって遮熱膜２００の上記効果を顕著なものにすることができる。
【００５２】
また、粒子３１の殻３１ｂに含まれる不純物の濃度を５重量％未満、すなわちシリカガラスの純度を９５重量％以上とすることによって、遮熱膜２００に対する加熱による粒子３１の耐熱性を高めることができる。すなわち、９５重量％以上の純度を有するシリカガラスの殻３１ｂとした場合、１０００℃以上に加熱したときの遮熱膜２００の電子顕微鏡観察では粒子３１の殻３１ｂは粒子形状をほとんど崩さず保っており、高い遮熱性及び耐久性を維持することができる。一方、シリカガラスの殻３１ｂの純度を７０重量％〜８０重量％まで下げた場合、１０００℃以上に加熱したときの遮熱膜２００の電子顕微鏡観察では粒子３１の殻３１ｂは溶解し、粒子３１の形状が崩れてしまい、高い遮熱性及び耐久性を維持することができない。
【００５３】
図８に粒子３１のシリカガラスの純度と耐熱性との関係を示す。シリカガラスの純度を高くするほど遮熱膜２００の耐熱温度も高くなり、シリカガラスの純度が９５重量％以上で約１０００℃の耐熱性を得ることができる。
【００５４】
また、本実施の形態では、スプレイ法を適用することによって、バインダ３２内の粒子３１間に空孔３３を形成することができる。このような空孔３３は、粒子３１の中空部３１ａと同様に、遮熱膜２００の熱伝導率及び単位体積あたりの熱容量を低くする作用をもたらす。その結果、内燃機関１００の熱効率を向上させることができる。
【００５５】
さらに、薄膜２００を焼成する際や使用時に高温になった際に壁面３０ａとの熱膨張差による応力を緩和する作用を有する。したがって、遮熱膜２００の破損や剥離を抑制する効果を奏する。
【００５６】
また、遮熱膜２００内の空孔３３の体積割合を最大で３０％以下とし、粒子３１が剥離せず、遮熱膜２００をガスが透過することを防ぐことができる。また、遮熱膜２００の構造的な強度の低下を抑えることができる。
【００５７】
また、空孔３３の平均径は粒子３１の平均径よりも小さくすることによって、粒子３１が剥離せず、遮熱膜２００をガスが透過することを防ぐことができる。また、遮熱膜２００の構造的な強度の低下を抑えることができる。
【００５８】
また、ステップＳ１０２の薄膜塗布工程では一回に塗布する薄膜２００の厚さを目標の厚さよりも薄くしてもよい。例えば、一回に塗布する薄膜２００の厚さを目標厚さの１／２〜１／５程度とする。ここでの目標厚さは例えば１００μｍ程度の厚さである。その後、ステップＳ１０４の焼成工程を行う。
【００５９】
次に、構造体部品３０の壁面３０ａ上に形成された薄膜２００の合計厚さが目標の厚さに達したか否かを判定し、薄膜２００の合計厚さが目標の厚さに達していない場合は、薄膜２００の合計厚さが目標の厚さに達するまでステップＳ１０２の薄膜塗布工程とステップＳ１０４の焼成工程とを交互に繰り返す。一方、薄膜２００の合計厚さが目標の厚さに達した場合は、薄膜２００の塗布及び加熱（焼成）を終了する。
【００６０】
このように、目標の厚さの薄膜２００を形成する際に、薄い薄膜２００の塗りと焼成とを交互に複数回繰り返して目標の厚さにすることによって、１回あたりに焼成される薄膜２００の厚さを薄くすることができ、バインダ３２内に粒子遮熱材を均等に分散させることができる。
【符号の説明】
【００６１】
１０ シリンダブロック、１０ａ シリンダブロック内壁面、１２ シリンダヘッド、１２ａ シリンダヘッド下面、１４ ピストン、１４ａ ピストン頂面、１６ 燃焼室、１８ 吸気ポート、２０ 排気ポート、２２ 吸気弁、２２ａ 吸気弁底面、２４ 排気弁、２４ａ 排気弁底面、２６ 冷却水ジャケット、３０ 構造体部品、３０ａ 壁面、３１ 粒子、３１ａ 中空部、３１ｂ 殻、３２ バインダ、３３ 空孔、２００ 遮熱膜（薄膜）。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、耐熱性が高い遮熱膜及びその形成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱伝導率の低いセラミックス（例えば、ジルコニア）からなる単一材料の遮熱膜を内燃機関の燃焼室内壁に形成することで、燃焼室内の燃焼ガスからの熱伝達を低下させて熱効率の向上を図る技術が開示されている（非特許文献１，２）。
【０００３】
また、構造体部品の表面に耐熱性材質の被覆層を柱状晶組織，微細結晶粒組織、又は柱状晶組織と微細結晶粒組織で積層させる技術が開示されている（特許文献１）。この耐熱被覆層は熱応力の負荷により膜厚方向に微細なクラックを生じて熱応力と緩和することができる。
【０００４】
また、膜の材料を基材上に滴下してスピンコートすることよって基材上に膜を形成する技術において、滴下開始時と滴下終了時の基材の回転速度を変化させることで塗膜内の異物を低減し、均一な厚さの膜を形成する技術が開示されている（特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平９−３６４７号公報
【特許文献２】特開２００１−３００４０８号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Gerhard Woschni他,"Heat Insulation of Combustion Chamber Walls - A Measure to Decrease the Fuel Combustion of I.C. Engines?",SAE Paper 870339,Society of Automotive Engineers,1987
【非特許文献２】Victor W.Wong他,"Assessment of Thin Thermal Barrier Coatings for I.C. Engines",SAE Paper 950980,Society of Automotive Engineers,1995
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
遮熱材料として熱伝導率の低いセラミックスを使用した場合、金属に比べて熱膨張率が低く、高温に曝されて温度が上昇した際に基材との熱膨張差によって割れや剥離が生じ易い。
【０００８】
また、バインダに中空体を混合させて遮熱膜の特性を向上させる技術がある。ここで、バインダに中空体を混合させてスピンコート等の従来技術により基材に塗布すると、中空体の浮力によってバインダの上部に中空体が浮き、バインダと基材との界面付近には中空体が存在しない領域が発生し、バインダ内に中空体を均一に分散させることができない。
【０００９】
このような構造では、遮熱性が低下するおそれがある。また、バインダの上部に中空体が密に存在することによって、基材との熱膨張差によって割れや剥離が生じ易い。
【００１０】
本発明は、上記課題を鑑み、遮熱性及び耐久性が高い遮熱膜及びその形成方法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】
【００１１】
本発明の１つの態様は、中空粒状体を内部に分散させたバインダからなる遮熱膜であって、前記中空粒状体は、前記バインダと基材との界面まで分布していることを特徴とする。
【００１２】
ここで、前記バインダ内に分散する前記中空粒状体間に空孔が形成されていることが好適である。特に、前記バインダ内の前記空孔の体積割合は３０％以下であることがより好適である。また、前記空孔の平均径は中空粒状体の平均径よりも小さいことが好適であり、具体的には４０μｍ以下であることが好適である。
【００１３】
また、前記中空粒状体の殻は、純度が９５重量％以上のシリカガラスであることが好適である。
【００１４】
また、本発明の別の態様は、基材上に遮熱膜を形成する方法であって、殻で囲まれた中空部を有する中空粒状体を含むバインダをスプレイで基材上に塗布する塗布工程と、基材上に塗布された前記中空粒状体及び前記バインダを加熱して焼成する焼成工程と、を含むことで、前記中空粒状体を有する遮熱膜を基材上に形成することを特徴とする。
【００１５】
ここで、前記塗布工程と前記焼成工程を複数回繰り返すことによって遮熱膜を前記基材上に形成することが好適である。
【００１６】
これにより、前記バインダ内に分散する前記粒子間に空孔を形成することが好適である。また、前記バインダ内の前記空孔の体積割合を３０％以下とすることが好適である。さらに、前記空孔の平均径は前記粒子の平均径よりも小さくすることが好適であり、具体的には４０μｍ以下とすることが好適である。
【００１７】
また、前記粒子の殻は、純度が９５重量％以上のシリカガラスとすることが好適である。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、遮熱性及び耐久性が高い遮熱膜及びその形成方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施形態に係る製造方法により製造された内燃機関の概略構成を示す図である。
【図２】遮熱膜を形成する方法の一例を説明するフローチャートである。
【図３】遮熱膜を形成する方法の一例を説明する図である。
【図４】遮熱膜を形成するスプレイ法を説明する模式図である。
【図５】遮熱膜を形成する方法の一例を説明する図である。
【図６】遮熱膜を形成する方法の一例を説明する図である。
【図７】遮熱膜を形成する方法の一例を説明する図である。
【図８】遮熱膜のシリカガラスの純度と耐熱性との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明の実施の形態に係る遮熱膜は、図１に示す内燃機関１００の構造体部品の表面に形成される。内燃機関（エンジン）１００は、シリンダブロック１０及びシリンダヘッド１２を備える。シリンダブロック１０内には、その軸線方向に往復運動するピストン１４が収容されている。ピストン１４の頂面１４ａ、シリンダブロック１０の内壁面１０ａ、及びシリンダヘッド１２の下面１２ａに囲まれた空間は、燃焼室１６を形成する。シリンダヘッド１２には、燃焼室１６に連通する吸気ポート１８、及び燃焼室１６に連通する排気ポート２０が形成されている。さらに、吸気ポート１８と燃焼室１６との境界を開閉する吸気弁２２、及び排気ポート２０と燃焼室１６との境界を開閉する排気弁２４が設けられている。シリンダブロック１０には、冷却水ジャケット２６が形成されており、冷却水ジャケット２６に冷却水が供給されることで、内燃機関１００の冷却が行われる。
【００２１】
なお、図１では、説明の便宜上、燃料噴射弁や点火栓等の構成の図示を省略しているが、本実施形態に係る内燃機関１００は、ディーゼルエンジン等の圧縮自着火式内燃機関であってもよいし、ガソリンエンジン等の火花点火式内燃機関であってもよい。圧縮自着火式内燃機関の場合は、例えばピストン１４が圧縮上死点付近に位置するときに燃料噴射弁から燃焼室１６内に燃料を噴射することで、燃焼室１６内の燃料が自着火して燃焼する。火花点火式内燃機関の場合は、点火時期にて点火栓の火花放電により燃焼室１６内の混合気に点火することで、燃焼室１６内の混合気を火炎伝播燃焼させる。燃焼室１６内の燃焼ガスは、排気行程にて排気ポート２０へ排出される。
【００２２】
本実施形態では、燃焼室１６を形成する構造体部品の少なくとも一部の、燃焼室１６内に臨む（面する）壁面上には、燃焼室１６内の燃焼ガスから構造体部品への伝熱を抑制するための遮熱膜２００が形成されている。
【００２３】
ここでは、燃焼室１６を形成する構造体部品として、シリンダブロック（シリンダライナ）１０、シリンダヘッド１２、ピストン１４、吸気弁２２及び排気弁２４を挙げることができる。そして、燃焼室１６内に臨む壁面として、シリンダブロック内壁面（シリンダライナ内壁面）１０ａ、シリンダヘッド下面１２ａ、ピストン頂面１４ａ、吸気弁底面（傘部底面）２２ａ、及び排気弁底面（傘部底面）２４ａのいずれか１つ以上を挙げることができる。図１では、シリンダブロック内壁面１０ａ、シリンダヘッド下面１２ａ、ピストン頂面１４ａ、吸気弁底面２２ａ、及び排気弁底面２４ａの各々に遮熱膜２００を形成した例を示している。ただし、必ずしもシリンダブロック内壁面１０ａ、シリンダヘッド下面１２ａ、ピストン頂面１４ａ、吸気弁底面２２ａ、及び排気弁底面２４ａのすべてに遮熱膜２００を形成する必要はない。すなわち、遮熱膜２００は、シリンダブロック内壁面１０ａ、シリンダヘッド下面１２ａ、ピストン頂面１４ａ、吸気弁底面２２ａ及び排気弁底面２４ａのいずれか１つ以上に形成することでいくらかの効果は得ることができる。
【００２４】
次に、本実施形態に係る内燃機関１００の製造方法、特に、遮熱膜２００を形成する方法について説明する。なお、遮熱膜２００を形成する工程以外の内燃機関１００の製造工程については、周知の工程で実現可能である。
【００２５】
図２は、遮熱膜２００を形成する方法の一例を説明するフローチャートである。まずステップＳ１００の粒子製造工程においては、図３に示すように、遮熱用材料として、周りを殻３１ｂとなる材料で形成した中空部３１ａを有する粒子３１を製造する。ここでの殻３１ｂとなる材料は、後述するバインダよりも弾性率が低い材料とする。
【００２６】
粒子３１としては、例えば、殻３１ｂとしてシリカ（二酸化珪素、ＳｉＯ2）を主成分とする微細多孔構造の断熱材を挙げることができる。特に、バインダとしてジルコニア（ＺｒＯ2）、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）、窒化珪素や炭化珪素やコージェライト等のセラミック材料を用いた場合、殻３１ｂとなる材料はシリカ（二酸化珪素、ＳｉＯ2）とすることが好適である。ジルコニアの縦弾性係数は２４５ＧＰａ程度であり、炭化ケイ素の縦弾性係数は４５０ＧＰａ程度であるので、縦弾性係数が２４０ＧＰａ以下、より好ましくは６５ＧＰａ以上９０ＧＰａ以下であるシリカを殻３１ｂとなる材料として用いることが好適である。
【００２７】
また、殻３１ｂとなる材料は、高純度のシリカとすることが好適である。すなわち、純度が９５重量％以上のシリカとすることが好適である。また、各粒子３１の平均外径は１００μｍ以下、より好ましくは５０μｍ以下とすることが好適である。
【００２８】
なお、粒子３１の平均径は、例えば、最終的に形成される遮熱膜２００の顕微鏡観察の断面図における粒子３１の断面積を平均し、その平均値を粒子３１の断面が円であると仮定した場合の直径として換算して求めることができる。
【００２９】
次に、ステップＳ１０２の薄膜塗布工程では、バインダ３２に粒子３１を多数分散させて基材に塗布する。すなわち、多数の粒子３１をバインダ３２に混入させ、図４に示すように、構造体部品３０の壁面３０ａ上に薄膜状に塗布することで、バインダ３２と多数の粒子３１とを含む薄膜２００を構造体部品３０の壁面３０ａ上に形成する。薄膜２００の厚さは、例えば約１００μｍ程度とすることが好適である。
【００３０】
本実施の形態では、粒子３１とバインダ３２との混合液をスプレイ法により構造体部品３０の壁面３０ａ上に塗布する。具体的には、図４に示すように、スプレイガン４０を用いて粒子３１とバインダ３２との混合液を壁面３０ａ上に塗布する。
【００３１】
バインダ３２は、構造体部品３０以下の熱伝導率を有し、構造体部品３０よりも低いまたは構造体部品３０とほぼ同等の単位体積あたりの熱容量を有する材料とすることが好適である。一方、粒子３１は、構造体部品３０よりも低い熱伝導率及び構造体部品３０よりも低い単位体積あたりの熱容量を有することが好適である。
【００３２】
バインダ３２は、燃焼室内等の高温及び高圧の燃焼ガスに対する耐熱性及び耐圧性を有しており、粒子３１よりも高い耐熱温度を有し、且つ粒子３１よりも高い強度を有する。
【００３３】
一方、多数の粒子３１は、バインダ３２の内部に混入されていることで、燃焼室１６内の燃焼ガスとは接触しない。バインダ３２は、燃焼室１６内の燃焼ガスから構造体部品３０への伝熱を抑制する機能の他に、粒子３１を燃焼室１６内の高温及び高圧の燃焼ガスから保護する保護材としての機能も有する。バインダ３２は、多数の粒子３１をつなぐ接着材としての機能も有する。一方、粒子３１は、断熱用薄膜２００全体での熱伝導率及び単位体積あたりの熱容量を下げる機能を有する。
【００３４】
バインダ３２の具体例としては、例えばジルコニア（ＺｒＯ2）、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）、窒化珪素や炭化珪素等のセラミックを挙げることができる。さらに、これらの材料を複数組み合わせてバインダ３２に用いることもできる。塗布時には、粘度を調整するために、水等の溶媒を用いてもよい。
【００３５】
ジルコニアにおいては、熱伝導率λは２．５［Ｗ／(ｍ・Ｋ)］程度であり、単位体積あたりの熱容量ρＣは２５００×１０3［Ｊ／(ｍ3・Ｋ)］程度であり、耐熱温度Ｔｍは２７００［℃］程度であり、強度（曲げ強度）σは１４７０［ＭＰａ］程度である。ジルコニアの他に、コージェライト（熱伝導率λは４［Ｗ／(ｍ・Ｋ)］程度、単位体積あたりの熱容量ρＣは１９００×１０3［Ｊ／(ｍ3・Ｋ)］程度）も用いることができ、さらに、アルミナ系や窒化珪素系のセラミックも一部混合して用いることができる。また、例えば、シリコン、チタンまたはジルコニウム、炭素、及び酸素を含んで構成することができ、この場合、熱伝導率λは２．５［Ｗ／(ｍ・Ｋ)］程度であり、単位体積あたりの熱容量ρＣは１６００×１０3［Ｊ／(ｍ3・Ｋ)］程度であり、耐熱温度Ｔｍは１３００［℃］程度であり、強度（引張強度）σは３３００［ＭＰａ］程度である
【００３６】
スプレイ法を適用することによって、空気を巻き込みながらバインダ３２を壁面３０ａ上に塗布することができ、バインダ３２の乾燥が早くなり、塗布後のバインダ３２内で浮力により粒子３１が浮く前にバインダ３２の固化が始まる。これにより、図５の断面図に示すように、形成される遮熱膜２００の下部、すなわちバインダ３２と壁面３０ａとの界面付近から遮熱膜２００の上部まで粒子３１を偏ることなく分散させることができる。
【００３７】
バインダ３２への粒子３１の充填率は５０％以上７０％未満とすることが好適である。スプレイ法を用いて、塗布する圧力を調整しつつ粒子３１を上記充填率で分散させることによって、図６の拡大断面図に示すように、空気を巻き込みながら塗布されたバインダ３２内には粒子３１間に空孔３３が形成される。
【００３８】
なお、薄膜２００内の粒子３１の充填率は、最終的に形成される遮熱膜２００の顕微鏡観察の断面図において、遮熱膜２００の全断面積に対する粒子３３に相当する領域の面積の割合として求めることができる。
【００３９】
また、空孔３３は、遮熱膜２００内の体積割合として最大で３０％以下とすることが好適である。また、空孔３３の平均径は粒子３１の平均径よりも小さくすることが好適である。例えば、粒子３１の平均径は５０μｍ以下とすることが好適であるので、空孔３３の平均径は４０μｍ以下とすることが好適である。
【００４０】
なお、遮熱膜２００内の空孔３３の体積割合は、遮熱膜２００の顕微鏡観察の断面図において、遮熱膜２００の全断面積に対する空孔３３に相当する領域の面積の割合として求めることができる。また、空孔３３の平均径は、例えば、遮熱膜２００の顕微鏡観察の断面図における空孔３３の断面積を平均し、その平均値を空孔３３の断面が円であるとして仮定した場合の直径として換算して求めることができる。
【００４１】
バインダ３２のセラミック材料（例えばジルコニア）は、塗布後に粒子３１が浮力により浮かない程度に固化するが、まだ焼成されておらず、緻密化されていない状態となる。すなわち、セラミック材料は、粗な構造であり、完全には固化されていない。
【００４２】
なお、構造体部品３０は、シリンダブロック（シリンダライナ）１０であってもよいし、シリンダヘッド１２であってもよいし、ピストン１４であってもよいし、吸気弁２２であってもよいし、排気弁２４であってもよい。すなわち、構造体部品３０の壁面３０ａは、シリンダブロック内壁面（シリンダライナ内壁面）１０ａであってもよいし、シリンダヘッド下面１２ａであってもよいし、ピストン頂面１４ａであってもよいし、吸気弁底面２２ａであってもよいし、排気弁底面２４ａであってもよい。
【００４３】
また、構造体部品３０の材料の具体例としては、例えば鉄（鋼）、アルミニウムもしくはアルミニウム合金、またはセラミック等を挙げることができる。鉄においては、熱伝導率λは８０．３［Ｗ／(ｍ・Ｋ)］程度であり、単位体積あたりの熱容量ρＣは３５００×１０3［Ｊ／(ｍ3・Ｋ)］程度である。アルミニウムにおいては、熱伝導率λは１９３［Ｗ／(ｍ・Ｋ)］程度であり、単位体積あたりの熱容量ρＣは２４００×１０3［Ｊ／(ｍ3・Ｋ)］程度（ジルコニアとほぼ同等）である。例えば、構造体部品３０に鉄（鋼）、バインダ３２にセラミック（ジルコニア）、粒子３１にシリカビーズを用いる場合は、バインダ３２の熱伝導率及び単位体積あたりの熱容量は構造体部品３０よりも低くなり、粒子３１の熱伝導率及び単位体積あたりの熱容量はバインダ３２よりも低くなる。そして、バインダ３２の耐熱温度及び強度が粒子３１よりも高くなる。
【００４４】
次に、ステップＳ１０４の焼成用加熱工程では、図７に示すように、薄膜２００を加熱して、粒子３１の殻３１ｂを緻密化させるとともにバインダ３２を焼成する。ここでの薄膜２００の加熱では、赤外線による加熱や、レーザによる加熱や、火炎（バーナ）による加熱を用いることが可能である。ここでは、薄膜２００の温度が約２００℃以上２５０℃以下の温度で焼成処理を行う。これにより、バインダ３２が焼成される。以上の工程により、各粒子３１内に中空部３１ａを有する遮熱膜２００が構造体部品３０の壁面３０ａ上に形成される。
【００４５】
内燃機関のシリンダ内における熱損失Ｑ［Ｗ］については、シリンダ内の圧力やガス流に起因する熱伝達係数ｈ［Ｗ／(ｍ2・Ｋ)］、シリンダ内の表面積Ａ［ｍ2］、シリンダ内のガス温度Ｔｇ［Ｋ］、及びシリンダ内に面する（シリンダ内の燃焼ガスと接触する）壁面の温度Ｔｗａｌｌ［Ｋ］を用いて、以下の（１）式で表すことができる。
Ｑ＝Ａ×ｈ×（Ｔｇ−Ｔｗａｌｌ） （１）
【００４６】
内燃機関のサイクルにおいては、シリンダ内ガス温度Ｔｇが時々刻々変化するが、壁面温度Ｔｗａｌｌをシリンダ内ガス温度Ｔｇに追従させるよう時々刻々変化させることで、（１）式における（Ｔｇ−Ｔｗａｌｌ）の値を小さくすることができ、熱損失Ｑを低減することができる。壁面温度Ｔｗａｌｌをシリンダ内ガス温度Ｔｇに追従させるよう変化させるためには、燃焼室内に臨む壁面に形成する遮熱膜については、熱伝導率及び単位体積あたりの熱容量が低いことが望ましい。
【００４７】
本実施形態では、遮熱膜２００内に中空部３１ａが形成されていることで、遮熱膜２００の熱伝導率及び単位体積あたりの熱容量を低くすることができる。その結果、燃焼室壁面温度Ｔｗａｌｌのシリンダ内ガス温度Ｔｇへの追従性を向上させることができ、内燃機関１００の熱効率を向上させることができる。
【００４８】
また、本実施の形態では、スプレイ法を適用することによって、空気を巻き込みながらバインダ３２を壁面３０ａ上に塗布することができ、形成される遮熱膜２００の下部から上部まで粒子３１を偏ることなく分散させることができる。したがって、熱伝導率を遮熱膜２００の下部から上部まで均一化でき、遮熱効果を高めることができる。
【００４９】
また、遮熱膜２００のバインダ３２内にバインダ３２よりも低い弾性率を有するシリカガラスの殻３１ｂを有する粒子３１を混入させているため、母材となる構造体部品３０の壁面３０ａが加熱された場合であっても母材との界面に生ずるせん断応力を小さくすることができ、大きな歪みにも耐えられるものとなる。
【００５０】
すなわち、遮熱膜２００の内部で破断が発生しないためには、膜が変形した状態で発生するせん断応力以上の強度があればよく、母材との熱膨張の差によって母材界面に発生するせん断応力は、遮熱膜２００の弾性率に比例して低下するので、バインダ３２内部にバインダ３２よりも低い弾性率を有するシリカガラスの殻３１ｂを有する中空の粒子３１を分散させることによってせん断応力を低下させ、より大きな歪みに耐えられるものとしている。
【００５１】
なお、バインダ３２への粒子３１の充填率を５０％以上９０％以下、より好ましくは６０％以上７０％未満とすることによって遮熱膜２００の上記効果を顕著なものにすることができる。
【００５２】
また、粒子３１の殻３１ｂに含まれる不純物の濃度を５重量％未満、すなわちシリカガラスの純度を９５重量％以上とすることによって、遮熱膜２００に対する加熱による粒子３１の耐熱性を高めることができる。すなわち、９５重量％以上の純度を有するシリカガラスの殻３１ｂとした場合、１０００℃以上に加熱したときの遮熱膜２００の電子顕微鏡観察では粒子３１の殻３１ｂは粒子形状をほとんど崩さず保っており、高い遮熱性及び耐久性を維持することができる。一方、シリカガラスの殻３１ｂの純度を７０重量％〜８０重量％まで下げた場合、１０００℃以上に加熱したときの遮熱膜２００の電子顕微鏡観察では粒子３１の殻３１ｂは溶解し、粒子３１の形状が崩れてしまい、高い遮熱性及び耐久性を維持することができない。
【００５３】
図８に粒子３１のシリカガラスの純度と耐熱性との関係を示す。シリカガラスの純度を高くするほど遮熱膜２００の耐熱温度も高くなり、シリカガラスの純度が９５重量％以上で約１０００℃の耐熱性を得ることができる。
【００５４】
また、本実施の形態では、スプレイ法を適用することによって、バインダ３２内の粒子３１間に空孔３３を形成することができる。このような空孔３３は、粒子３１の中空部３１ａと同様に、遮熱膜２００の熱伝導率及び単位体積あたりの熱容量を低くする作用をもたらす。その結果、内燃機関１００の熱効率を向上させることができる。
【００５５】
さらに、薄膜２００を焼成する際や使用時に高温になった際に壁面３０ａとの熱膨張差による応力を緩和する作用を有する。したがって、遮熱膜２００の破損や剥離を抑制する効果を奏する。
【００５６】
また、遮熱膜２００内の空孔３３の体積割合を最大で３０％以下とし、粒子３１が剥離せず、遮熱膜２００をガスが透過することを防ぐことができる。また、遮熱膜２００の構造的な強度の低下を抑えることができる。
【００５７】
また、空孔３３の平均径は粒子３１の平均径よりも小さくすることによって、粒子３１が剥離せず、遮熱膜２００をガスが透過することを防ぐことができる。また、遮熱膜２００の構造的な強度の低下を抑えることができる。
【００５８】
また、ステップＳ１０２の薄膜塗布工程では一回に塗布する薄膜２００の厚さを目標の厚さよりも薄くしてもよい。例えば、一回に塗布する薄膜２００の厚さを目標厚さの１／２〜１／５程度とする。ここでの目標厚さは例えば１００μｍ程度の厚さである。その後、ステップＳ１０４の焼成工程を行う。
【００５９】
次に、構造体部品３０の壁面３０ａ上に形成された薄膜２００の合計厚さが目標の厚さに達したか否かを判定し、薄膜２００の合計厚さが目標の厚さに達していない場合は、薄膜２００の合計厚さが目標の厚さに達するまでステップＳ１０２の薄膜塗布工程とステップＳ１０４の焼成工程とを交互に繰り返す。一方、薄膜２００の合計厚さが目標の厚さに達した場合は、薄膜２００の塗布及び加熱（焼成）を終了する。
【００６０】
このように、目標の厚さの薄膜２００を形成する際に、薄い薄膜２００の塗りと焼成とを交互に複数回繰り返して目標の厚さにすることによって、１回あたりに焼成される薄膜２００の厚さを薄くすることができ、バインダ３２内に粒子遮熱材を均等に分散させることができる。
【符号の説明】
【００６１】
１０ シリンダブロック、１０ａ シリンダブロック内壁面、１２ シリンダヘッド、１２ａ シリンダヘッド下面、１４ ピストン、１４ａ ピストン頂面、１６ 燃焼室、１８ 吸気ポート、２０ 排気ポート、２２ 吸気弁、２２ａ 吸気弁底面、２４ 排気弁、２４ａ 排気弁底面、２６ 冷却水ジャケット、３０ 構造体部品、３０ａ 壁面、３１ 粒子、３１ａ 中空部、３１ｂ 殻、３２ バインダ、３３ 空孔、２００ 遮熱膜（薄膜）。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中空粒状体を内部に分散させたバインダからなる遮熱膜であって、
前記中空粒状体は、前記バインダと基材との界面まで分布していることを特徴とする遮熱膜。
【請求項２】
請求項１に記載の遮熱膜であって、
前記バインダ内に分散する前記中空粒状体間に空孔が形成されていることを特徴とする遮熱膜。
【請求項３】
請求項２に記載の遮熱膜であって、
前記バインダ内の前記空孔の体積割合は３０％以下であることを特徴とする遮熱膜。
【請求項４】
請求項２又は３に記載の遮熱膜であって、
前記空孔の平均径は４０μｍ以下であることを特徴とする遮熱膜。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１つに記載の遮熱膜であって、
前記中空粒状体の殻は、純度が９５重量％以上のシリカガラスであることを特徴とする遮熱膜。
【請求項６】
基材上に遮熱膜を形成する方法であって、
殻で囲まれた中空部を有する中空粒状体を含むバインダをスプレイで基材上に塗布する塗布工程と、
基材上に塗布された前記中空粒状体及び前記バインダを加熱して焼成する焼成工程と、
を含むことで、
前記中空粒状体を有する遮熱膜を基材上に形成することを特徴とする遮熱膜の形成方法。
【請求項７】
請求項５に記載の遮熱膜の形成方法であって、
前記塗布工程と前記焼成工程を複数回繰り返すことによって遮熱膜を前記基材上に形成することを特徴とする遮熱膜の形成方法。
【請求項８】
請求項５又は６に記載の遮熱膜の形成方法であって、
前記バインダ内に分散する前記中空粒状体間に空孔が形成されることを特徴とする遮熱膜の形成方法。
【請求項９】
請求項８に記載の遮熱膜の形成方法であって、
前記バインダ内の前記空孔の体積割合は３０％以下であることを特徴とする遮熱膜の形成方法。
【請求項１０】
請求項８又は９に記載の遮熱膜の形成方法であって、
前記空孔の平均径は４０μｍ以下であることを特徴とする遮熱膜の形成方法。
【請求項１１】
請求項６〜１０のいずれか１つに記載の遮熱膜の形成方法であって、
前記中空粒状体の殻は、純度が９５重量％以上のシリカガラスであることを特徴とする遮熱膜の形成方法。
【請求項１】
中空粒状体を内部に分散させたバインダからなる遮熱膜であって、
前記中空粒状体は、前記バインダと基材との界面まで分布していることを特徴とする遮熱膜。
【請求項２】
請求項１に記載の遮熱膜であって、
前記バインダ内に分散する前記中空粒状体間に空孔が形成されていることを特徴とする遮熱膜。
【請求項３】
請求項２に記載の遮熱膜であって、
前記バインダ内の前記空孔の体積割合は３０％以下であることを特徴とする遮熱膜。
【請求項４】
請求項２又は３に記載の遮熱膜であって、
前記空孔の平均径は４０μｍ以下であることを特徴とする遮熱膜。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１つに記載の遮熱膜であって、
前記中空粒状体の殻は、純度が９５重量％以上のシリカガラスであることを特徴とする遮熱膜。
【請求項６】
基材上に遮熱膜を形成する方法であって、
殻で囲まれた中空部を有する中空粒状体を含むバインダをスプレイで基材上に塗布する塗布工程と、
基材上に塗布された前記中空粒状体及び前記バインダを加熱して焼成する焼成工程と、
を含むことで、
前記中空粒状体を有する遮熱膜を基材上に形成することを特徴とする遮熱膜の形成方法。
【請求項７】
請求項５に記載の遮熱膜の形成方法であって、
前記塗布工程と前記焼成工程を複数回繰り返すことによって遮熱膜を前記基材上に形成することを特徴とする遮熱膜の形成方法。
【請求項８】
請求項５又は６に記載の遮熱膜の形成方法であって、
前記バインダ内に分散する前記中空粒状体間に空孔が形成されることを特徴とする遮熱膜の形成方法。
【請求項９】
請求項８に記載の遮熱膜の形成方法であって、
前記バインダ内の前記空孔の体積割合は３０％以下であることを特徴とする遮熱膜の形成方法。
【請求項１０】
請求項８又は９に記載の遮熱膜の形成方法であって、
前記空孔の平均径は４０μｍ以下であることを特徴とする遮熱膜の形成方法。
【請求項１１】
請求項６〜１０のいずれか１つに記載の遮熱膜の形成方法であって、
前記中空粒状体の殻は、純度が９５重量％以上のシリカガラスであることを特徴とする遮熱膜の形成方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１０−１８５２９１（Ｐ２０１０−１８５２９１Ａ）
【公開日】平成２２年８月２６日（２０１０．８．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２８１１２（Ｐ２００９−２８１１２）
【出願日】平成２１年２月１０日（２００９．２．１０）
【出願人】（０００００３６０９）株式会社豊田中央研究所 (4,200)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年８月２６日（２０１０．８．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年２月１０日（２００９．２．１０）
【出願人】（０００００３６０９）株式会社豊田中央研究所 (4,200)
【Ｆターム（参考）】
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