特許 6413704 遮熱膜の形成方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6413704

(24)【登録日】2018年10月12日

(45)【発行日】2018年10月31日

(54)【発明の名称】遮熱膜の形成方法

(51)【国際特許分類】

   F02F 1/24 20060101AFI20181022BHJP

   F02F 1/00 20060101ALI20181022BHJP

   F02F 3/10 20060101ALI20181022BHJP

   F02F 3/14 20060101ALI20181022BHJP

   F02F 3/00 20060101ALI20181022BHJP

   F02F 1/18 20060101ALI20181022BHJP

   F02B 77/11 20060101ALI20181022BHJP

   C25D 11/04 20060101ALI20181022BHJP

【ＦＩ】

   F02F1/24 M

   F02F1/00 E

   F02F1/00 G

   F02F1/24 C

   F02F3/10 B

   F02F3/14

   F02F3/00 302A

   F02F1/18 F

   F02B77/11 A

   C25D11/04

【請求項の数】2

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2014-241558(P2014-241558)

(22)【出願日】2014年11月28日

(65)【公開番号】特開2016-102457(P2016-102457A)

(43)【公開日】2016年6月2日

【審査請求日】2017年5月10日

(73)【特許権者】

【識別番号】000002082

【氏名又は名称】スズキ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100099623

【弁理士】

【氏名又は名称】奥山 尚一

(74)【代理人】

【識別番号】100096769

【弁理士】

【氏名又は名称】有原 幸一

(74)【代理人】

【識別番号】100107319

【弁理士】

【氏名又は名称】松島 鉄男

(74)【代理人】

【識別番号】100114591

【弁理士】

【氏名又は名称】河村 英文

(74)【代理人】

【識別番号】100125380

【弁理士】

【氏名又は名称】中村 綾子

(74)【代理人】

【識別番号】100142996

【弁理士】

【氏名又は名称】森本 聡二

(74)【代理人】

【識別番号】100154298

【弁理士】

【氏名又は名称】角田 恭子

(74)【代理人】

【識別番号】100166268

【弁理士】

【氏名又は名称】田中 祐

(74)【代理人】

【識別番号】100170379

【弁理士】

【氏名又は名称】徳本 浩一

(74)【代理人】

【識別番号】100161001

【弁理士】

【氏名又は名称】渡辺 篤司

(72)【発明者】

【氏名】中村 宗昭

(72)【発明者】

【氏名】村上 春彦

(72)【発明者】

【氏名】藤田 昌弘

(72)【発明者】

【氏名】戸田 顕

【審査官】 木村 麻乃

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１３−２１３４４６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−０７２７４５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−２０９９２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−１０５６１９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第１３／０８１１５０（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 国際公開第１３／１２９４３０（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００５−１６３１７２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−０６４３８８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−２４９００８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−０６７８２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−０２４１４２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ０２Ｆ １／２４

Ｆ０２Ｂ ７７／１１

Ｆ０２Ｆ １／００

Ｆ０２Ｆ １／１８

Ｆ０２Ｆ ３／００

Ｆ０２Ｆ ３／１０

Ｆ０２Ｆ ３／１４

Ｃ２５Ｄ １１／０４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

母材の表面に積層される複数の皮膜からなる遮熱膜を形成する方法であって、該複数の皮膜は、少なくとも第一の皮膜と第二の皮膜を有する遮熱膜の形成方法において、
前記第一の皮膜及び前記第二の皮膜のそれぞれの熱伝導率を把握する熱伝導率把握工程と、
前記熱伝導率把握工程で把握した前記第一の皮膜及び前記第二の皮膜の熱伝導率のそれぞれが所定値以下であるか否かを確認する熱伝導率確認工程と、
前記熱伝導率確認工程で確認した前記第一の皮膜及び前記第二の皮膜の熱伝導率のそれぞれが、所定値以下の場合には、
前記第一の皮膜の体積比熱を、前記第二の皮膜よりも小さく設定し、かつ
前記第二の皮膜は、前記母材の表面上に形成され、前記母材の表面と前記第一の皮膜との間に形成し、
前記熱伝導率確認工程で確認した前記第一の皮膜及び前記第二の皮膜の熱伝導率が共に所定値よりも大きい場合には、
前記第一の皮膜と前記第二の皮膜の体積比熱の大小を問わず、前記第一の皮膜及び前記第二の皮膜のうち、どちらかを、前記母材の表面に形成する被膜形成工程と、
を含むことを特徴とする遮熱膜の形成方法。

【請求項2】

前記熱伝導率の所定値は、０．６Ｗ／（ｍ・Ｋ）であることを特徴とする請求項１に記載の遮熱膜の形成方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、遮熱膜の形成方法に関する。

【背景技術】

【0002】

内燃機関エンジンの燃焼室の部品には、例えば、ピストン、ヘッド、バルブ及びシリンダライナ等がある。これらの部品は、冷却損失を低減することが要求されている。冷却損失を低減するために、例えば、特許文献１に開示される遮熱膜を用いる技術が知られている。この例では、低熱伝導率により燃焼室壁面へ奪われる熱の損失（冷却損失）を低減し、低熱容量により壁面での熱篭りを低減し、ノッキングを抑制することについて開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特許第５１３６６２９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

内燃機関エンジンの燃焼室の部品に用いる遮熱膜には、低熱伝導率及び低体積比熱の特性が要求される。しかし、低熱伝導率及び低体積比熱の両特性を併せ持つ遮熱膜を単層で形成することは難しい。

【0005】

本発明は上記課題を解決するためになされたものであって、その目的は、内燃機関エンジンの燃焼室の部品に形成される遮熱膜について、低熱伝導率及び低体積比熱を両立できるようにすることである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記目的を達成するための本発明に係る遮熱膜の形成方法は、母材の表面に積層される複数の皮膜からなる遮熱膜を形成する方法であって、該複数の皮膜は、少なくとも第一の皮膜と第二の皮膜を有する。当該遮熱膜の形成方法は、前記第一の皮膜及び前記第二の皮膜のそれぞれの熱伝導率を把握する熱伝導率把握工程と、前記熱伝導率把握工程で把握した前記第一の皮膜及び前記第二の皮膜の熱伝導率のそれぞれが、所定値以下であるか否かを確認する熱伝導率確認工程と、前記熱伝導率確認工程で確認した前記第一の皮膜及び前記第二の皮膜の熱伝導率のそれぞれが、所定値以下の場合には、前記第一の皮膜の体積比熱を、前記第二の皮膜よりも小さく設定し、かつ前記第二の皮膜は、前記母材の表面上に形成され、前記母材の表面と前記第一の皮膜との間に形成し、前記熱伝導率確認工程で確認した前記第一の皮膜及び前記第二の皮膜の熱伝導率が共に所定値よりも大きい場合には、前記第一の皮膜と前記第二の皮膜の体積比熱の大小を問わず、前記第一の皮膜及び前記第二の皮膜のうち、どちらかを、前記母材の表面に形成する被膜形成工程と、を含む。

【発明の効果】

【0007】

本発明によれば、内燃機関エンジンの燃焼室の部品に形成される遮熱膜について、低熱伝導率及び低体積比熱を両立する遮熱膜を形成することが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】本発明に係る遮熱膜形成体を模式的に示す部分断面図である。

【図2】図１の遮熱膜形成体を形成する手順を示すフローチャートである。

【図3】遮熱膜が形成された壁の壁温スイングの特性の概念を示すグラフで、横軸は時間、縦軸は燃焼ガス温度及び壁温度を示している。

【図4】燃焼室内壁の表面から距離に対する壁表面温度を示すグラフである。

【図5】熱伝導率０．１〜１０［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］における体積比熱に対する壁温スイング幅を示すグラフである。

【図6】熱伝導率０．４〜０．８［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］における体積比熱に対する壁温スイング幅を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、本発明に係る実施形態について、図表を用いて説明する。

【0010】

本実施形態に係る遮熱膜形成体は、母材３の表面に２層の遮熱膜（第一の皮膜１及び第二の皮膜２）が形成されている。これらの皮膜１、２は、例えば二酸化ケイ素やアルミニウム酸化物等を主な成分とする皮膜であって、例えば陽極酸化皮膜等も含まれる。当該遮熱膜形成体は、内燃機関エンジンの部品を構成する部材で、この例では、内燃機関エンジンの燃焼室の部分である。また、当該母材３は、アルミニウム合金である。

【0011】

本実施形態の遮熱膜形成体の基本構成について、図１の模式図を用いて説明する。図１は、内燃機関におけるエンジン燃焼室の内壁に第一の皮膜１及び第二の皮膜２を形成した状態を模式的に示している部分断面図である。

【0012】

内壁を構成する母材３は、上述したようにアルミニウム合金からなる。母材３の表面（内壁面）３ａには、第二の皮膜２が形成され、第二の皮膜２の表面には、第一の皮膜１が形成されている。第二の皮膜２は、母材３と第一の皮膜１により挟まれた状態である。図示は省略しているが、図１における第一の皮膜１の上方には、燃焼ガスが流通する。また、母材３の下方には、冷却水が流通している。

【0013】

エンジン燃焼室の内壁の熱は、エンジン筒内の燃焼ガスから母材３へ移動する。さらに、母材３から冷却水へと熱が移動し、燃焼ガスの熱エネルギの損失（冷却損失）が生じる。第一の皮膜１及び第二の皮膜２からなる遮熱膜は、この冷却損失を低減するために、設けられている。ガスの熱は、遮熱膜を介して母材３へ、母材３から冷却水へと移動することになる。

【0014】

ここで、低熱伝導率および低熱容量の遮熱膜を燃焼室内壁に形成することにより、燃費が向上するメカニズムについて簡単に説明する。エンジン燃焼室の壁面の表面温度は、一般に吸気・圧縮・燃焼・排気行程の１サイクルに渡ってほぼ一定である。一方で、筒内の燃焼ガスの温度は、燃焼により常温から高温（高温から常温）まで変化する。このため、燃焼室の壁表面温度と筒内の燃焼ガスの温度との温度差により、熱損失が生じる。

【0015】

これに対して、燃焼室内壁に低熱伝導率および低体積比熱の遮熱膜を形成すると、遮熱膜の表面温度が筒内の燃焼ガスの温度変化に追従するように１サイクル内で変化するようになる。その結果、燃焼行程では燃焼ガスの温度に追従し、壁温が上昇する。このため、壁面へ奪われる熱損失が低減し、燃費向上に繋がる。また、吸気行程・圧縮行程では、吸入ガス温度に追従して壁温が低下する。このため、燃焼室末端でのノッキングや吸気効率低下が発生しにくくなる。つまり、遮熱膜は、筒内ガス温度に追従して壁面温度が常温から高温まで変化する特性が重要となる。

【0016】

ここで、本実施形態の遮熱膜の形成手順について、図２のフローチャートを用いて説明する。

【0017】

先ず、第一の皮膜１と第二の皮膜２のそれぞれの熱伝導率を把握する（ステップ１）。
次に、各熱伝導率がいずれも所定値（０．６［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］）以下であるか否かを確認する（ステップ２）。０．６［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］以下の場合には、第一の皮膜１の体積比熱を、第二の皮膜２の体積比熱よりも小さくなるように設定する（ステップ３）。次に、第一の皮膜１及び第二の皮膜２を、母材３の表面３ａに形成する（ステップ４）。

【0018】

ここで、ステップ４において、第一の皮膜１及び第二の皮膜２が陽極酸化皮膜ではない場合には、第二の皮膜２を母材表面３ａの上に形成し、その後に、第二の皮膜２の上に第一の皮膜１を形成する。

【0019】

次に、第一の皮膜１及び第二の皮膜２が陽極酸化皮膜の場合のステップ４について説明する。この場合、陽極酸化により母材３（母材表面３ａ）を変質させて皮膜を形成する。そのため、先ず、最終的に最表面の皮膜となる第一の皮膜１を母材表面３ａ上に形成し、その後に、母材表面３ａを変質させて、第二の皮膜２を形成する。すなわち、皮膜１、２が陽極酸化皮膜か否かにより、第一の皮膜１及び第二の皮膜２を形成する手順が逆になる。

【0020】

一方、ステップ２において、熱伝導率が０．６［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］よりも大きい場合には、第一の皮膜１及び第二の皮膜２の体積比熱の大小を問わずに（ステップ５）、第一の皮膜１及び第二の皮膜２を、母材３の表面３ａに形成する（ステップ４）。この場合において、第一の皮膜１及び第二の皮膜２が共に、陽極酸化皮膜である場合には、上記の手順で、第一の皮膜１及び第二の皮膜２を形成する。また、第一の皮膜１及び第二の皮膜２が陽極酸化皮膜でないときは、第二の皮膜２を母材表面３ａの上に形成し、その後に、第一の皮膜１を形成する。

【0021】

ここで、遮熱膜の性能を評価する指標の一つとして、壁温スイング特性について、図３を用いて説明する。図３のグラフは、横軸に時間を示し、実線Ｔｘは燃焼ガスの温度を示し、破線Ｔｙは壁温を示している。壁温スイング特性とは、筒内の燃焼ガスの温度Ｔｘに追従して筒内の壁面温度Ｔｙが常温から高温（高温から常温）まで変化する大きさを示す値に基づく特性である。

【0022】

例えば、図３に示すように、ｔ秒間に、常温（Ｔ_０）から高温（Ｔ_２）まで変化する燃焼ガスの温度Ｔｘに追従するように、遮熱膜壁面の表面温度Ｔｙが、Ｔ_０からＴ_１まで変化している状態を、壁温スイングしていると定義している。以降、遮熱膜壁面の表面温度の最大値（Ｔ_１）と最小値（Ｔ_０）の差を、「壁温スイングの大きさ」とする。

【0023】

ガスの熱が遮熱膜を伝搬して母材３へと伝わる伝熱現象について、表１及び図４を用いて説明する。なお、図４（ａ）〜（ｄ）は、遮熱膜の物性値の組合せ（第一の皮膜１と第二の皮膜２の物性値）が異なる。以下、当該組合せについて、表１を用いて説明する。表１では、８種類の組合せを計算ケースＡ〜計算ケースＨの８つのケースとして定義する。

【0024】

図４（ａ）〜（ｄ）は、燃焼室内壁表面からの距離に対する壁表面温度を示すグラフである。ここで、図４（ａ）に示されているように、燃焼室内壁表面からの距離がゼロとなる位置は、図１における第一の皮膜１の表層（上面）に対応している。当該距離が５０［μｍ］となる位置は、第一の皮膜１と第二の皮膜２の境界に対応しており、１００［μｍ］となる位置は、母材表面３ａに対応している。すなわち、この例では、第一の皮膜１の厚み及び第二の皮膜２の厚みは、共に約５０［μｍ］である。

【0025】

【表1】

【0026】

図４（ａ）は、表１の計算ケースＡ、Ｂに対応している。図４（ｂ）は、表１の計算ケースＣ、Ｄに対応している。同様に、図４（ｃ）は、表１の計算ケースＥ、Ｆに対応しており、図４（ｄ）は、表１の計算ケースＧ、Ｈに対応している。

【0027】

表１に示すように、計算ケースＡ〜Ｈを大別すると、計算ケースＡ〜Ｄは、熱伝導率を揃えた条件であり、計算ケースＥ〜Ｈは、体積比熱を揃えた条件である。以下に、計算ケースＡ〜Ｈについて説明する。

【0028】

計算ケースＡ、Ｂでは、第一の皮膜１及び第二の皮膜２の熱伝導率を０．１［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］に揃えており、計算ケースＡは、体積比熱について、第一の皮膜１を１０００［ｋＪ／（ｍ^３・Ｋ）］、第二の皮膜２を１０［ｋＪ／（ｍ^３・Ｋ）］としている。計算ケースＢでは、体積比熱について、第一の皮膜１を１０［ｋＪ／（ｍ^３・Ｋ）］、第二の皮膜２を１０００［ｋＪ／（ｍ^３・Ｋ）］としている。

【0029】

計算ケースＣ、Ｄでは、第一の皮膜１及び第二の皮膜２の熱伝導率を１．０［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］に揃えており、計算ケースＣは、体積比熱について、第一の皮膜１を１０００［ｋＪ／（ｍ^３・Ｋ）］、第二の皮膜２を１０［ｋＪ／（ｍ^３・Ｋ）］とし、計算ケースＤでは、体積比熱について、第一の皮膜１を１０［ｋＪ／（ｍ^３・Ｋ）］、第二の皮膜２を１０００［ｋＪ／（ｍ^３・Ｋ）］としている。

【0030】

計算ケースＥ、Ｆでは、第一の皮膜１及び第二の皮膜２の体積比熱を１０［ｋＪ／（ｍ^３・Ｋ）］に揃えており、計算ケースＥは、熱伝導率について、第一の皮膜１を１．０［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］、第二の皮膜２を０．１［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］としている。計算ケースＦでは、熱伝導率について、第一の皮膜１を０．１［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］、第二の皮膜２を１．０［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］としている。

【0031】

計算ケースＧ、Ｈでは、第一の皮膜１及び第二の皮膜２の体積比熱を１０００［ｋＪ／（ｍ^３・Ｋ）］に揃えており、計算ケースＧは、熱伝導率について、第一の皮膜１を１．０［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］、第二の皮膜２を０．１［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］とし、計算ケースＨでは、熱伝導率について、第一の皮膜１を０．１［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］、第二の皮膜２を１．０［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］としている。

【0032】

ここで、図４（ａ）〜（ｄ）の解析結果について説明する。図４は、図３のようにｔ_ａ（＝１５秒後）からｔ_ｂ（＝１５．０１５秒後）の間にガス温度が変化（Ｔ_０→Ｔ_２）したときの、壁面温度の分布及び変化（Ｔ_０→Ｔ_１）について示している。

【0033】

図４（ａ）では、計算ケースＡにおいて、１５．０００秒後（Ａｘ）と、１５．０１５秒後（Ａｙ）の壁面温度の分布について示している。また、計算ケースＢにおいて、１５．０００秒後（Ｂｘ）と、１５．０１５秒後（Ｂｙ）の壁面温度の分布について示している。

【0034】

計算ケースＡにおける第一の皮膜１の表面温度（距離：ゼロ）は、１５．０００秒後（Ａｘ）では約３３０Ｋで、１５．０１５秒後（Ａｙ）では約４７０Ｋに上昇している。壁面温度は、Ａｘ及びＡｙ共に、母材３に向かうにしたがい徐々に低下して、母材表面３ａ（距離：１００［μｍ］）で、約３１０Ｋ程度となる。

【0035】

計算ケースＢにおける第一の皮膜１の表面温度（距離：ゼロ）は、１５．０００秒後（Ｂｘ）では約３１０Ｋで、１５．０１５秒後（Ｂｙ）では約５９０Ｋに上昇している。壁面温度は、Ｂｘ及びＢｙ共に、母材３に向かうにしたがい徐々に低下して、母材表面３ａ（距離：１００［μｍ］）で、約３１０Ｋ程度となる。

【0036】

図４（ｂ）では、計算ケースＣにおいて、１５．０００秒後（Ｃｘ）と、１５．０１５秒後（Ｃｙ）の壁面温度の分布について示している。また、計算ケースＤにおいて、１５．０００秒後（Ｄｘ）と、１５．０１５秒後（Ｄｙ）の壁面温度の分布について示している。

【0037】

計算ケースＣにおける第一の皮膜１の表面温度（距離：ゼロ）は、１５．０００秒後（Ｃｘ）では約３１０Ｋで、１５．０１５秒後（Ｃｙ）では約３５０Ｋに上昇している。壁面温度は、Ｃｘは、第二の皮膜２及び母材３に相当する位置において、３１０Ｋであり、Ｃｙは、母材３に向かうにしたがい徐々に低下して、母材表面３ａ（距離：１００［μｍ］）で、約３１０Ｋ程度となる。

【0038】

計算ケースＤは、計算ケースＣとほぼ同じような温度分布である。すなわち、計算ケースＤにおける第一の皮膜１の表面温度（距離：ゼロ）は、１５．０００秒後（Ｄｘ）では約３１０Ｋで、１５．０１５秒後（Ｄｙ）では約３５０Ｋに上昇している。壁面温度は、Ｄｘは、第二の皮膜２及び母材３に相当する位置において、３１０Ｋであり、Ｄｙは、母材３に向かうにしたがい徐々に低下して、母材表面３ａ（距離：１００［μｍ］）で、約３１０Ｋ程度となる。

【0039】

図４（ｃ）では、計算ケースＥにおいて、１５．０００秒後（Ｅｘ）と、１５．０１５秒後（Ｅｙ）の壁面温度の分布について示している。また、計算ケースＦにおいて、１５．０００秒後（Ｆｘ）と、１５．０１５秒後（Ｆｙ）の壁面温度の分布について示している。

【0040】

計算ケースＥにおける第一の皮膜１の表面温度（距離：ゼロ）は、１５．０００秒後（Ｅｘ）では約３１０Ｋで、母材表面３ａとほぼ同じである。１５．０１５秒後（Ｅｙ）では約５００Ｋに上昇し、母材３に向かうにしたがい徐々に低下して、母材表面３ａ（距離：１００［μｍ］）で、約３１０Ｋ程度となる。このケースでは、第一の皮膜１（距離：０〜５０［μｍ］）よりも第二の皮膜２（距離：５０〜１００［μｍ］）の方が、急激に温度が低下している。

【0041】

計算ケースＦにおける第一の皮膜１の表面温度（距離：ゼロ）は、１５．０００秒後（Ｆｘ）では約３１０Ｋで、母材表面３ａとほぼ同じである。１５．０１５秒後（Ｆｙ）では約５００Ｋに上昇し、母材３に向かうにしたがい徐々に低下して、母材表面３ａ（距離：１００［μｍ］）で、約３１０Ｋ程度となる。このケースでは、第二の皮膜２よりも第一の皮膜１の方が、急激に温度が低下している。

【0042】

図４（ｄ）では、計算ケースＧにおいて、１５．０００秒後（Ｇｘ）と、１５．０１５秒後（Ｇｙ）の壁面温度の分布について示している。また、計算ケースＨにおいて、１５．０００秒後（Ｈｘ）と、１５．０１５秒後（Ｈｙ）の壁面温度の分布について示している。

【0043】

計算ケースＧにおける第一の皮膜１の表面温度（距離：ゼロ）は、１５．０００秒後（Ｇｘ）では約３３０Ｋで、１５．０１５秒後（Ｇｙ）では約４００Ｋに上昇している。壁面温度は、Ｇｘ及びＧｙ共に、母材３に向かうにしたがい徐々に低下して、母材表面３ａ（距離：１００［μｍ］）で、約３１０Ｋ程度となる。Ｇｙでは、第一の皮膜１よりも第二の皮膜２の方が、急激に温度が低下している。

【0044】

計算ケースＨにおける第一の皮膜１の表面温度（距離：ゼロ）は、１５．０００秒後（Ｈｘ）では約３１０Ｋで、母材表面３ａとほぼ同じである。１５．０１５秒後（Ｈｙ）では約４５０Ｋに上昇している。Ｈｙは、母材３に向かうにしたがい徐々に低下して、母材表面３ａ（距離：１００［μｍ］）で、約３１０Ｋ程度となる。Ｈｙでは、第二の皮膜２よりも第一の皮膜１の方が、急激に温度が低下している。

【0045】

以上の解析結果から、遮熱膜（第一の皮膜１及び第二の皮膜２）の物性値が変わることで、ガスの熱が遮熱膜、母材３へと壁面内部まで伝播する過程に差異があることは明らかである。すなわち、壁温スイングの大きさに関して遮熱膜の物性値の寄与度が高い。

【0046】

複層にて遮熱膜を形成する場合、第一の皮膜１と第二の皮膜２の物性値の組み合わせ（母材３に対する皮膜の形成順序）によって、壁温スイング特性が変わることを、図５（ａ）〜（ｅ）に示す数値解析の結果を用いて説明する。

【0047】

図５に示す５つのグラフは、体積比熱に対する壁温スイング幅を示すものである。５つのグラフは、異なる熱伝導率について、解析した結果を示している。ここでの熱伝導率は、第一の皮膜１及び第二の皮膜２の熱伝導率であり、図５（ａ）は、０．１［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］、図５（ｂ）は、０．３［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］、図５（ｃ）は、０．６［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］、図５（ｄ）は、１．０［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］、図５（ｅ）は、１０［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］である。

【0048】

また、各グラフにおいて、棒グラフのうち、白抜きの枠で示されている凡例（第一皮膜固定）は、第一の皮膜１の体積比熱を１０００［ｋＪ／（ｍ^３・Ｋ）］に固定し、第二の皮膜２の体積比熱が、１０、１００、１０００［ｋＪ／（ｍ^３・Ｋ）］の３種類の場合における壁温スイング幅を示している。これに対して、枠内を斜線で示されている凡例（第二皮膜固定）は、第二の皮膜２の体積比熱を１０００［ｋＪ／（ｍ^３・Ｋ）］に固定し、第一の皮膜１の体積比熱が、１０、１００、１０００［ｋＪ／（ｍ^３・Ｋ）］の３種類の場合の壁温スイング幅を示している。

【0049】

例えば、図５（ａ）における第一皮膜固定は、第一の皮膜１及び第二の皮膜２の熱伝導率が０．１［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］であり、第一の皮膜１の体積比熱を１０００［ｋＪ／（ｍ^３・Ｋ）］に固定し、第二の皮膜２の体積比熱を、１０、１００、１０００［ｋＪ／（ｍ^３・Ｋ）］の３条件で解析した壁温スイング幅を示している。また、図５（ａ）における第二皮膜固定は、第一の皮膜１及び第二の皮膜２の熱伝導率が０．１［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］であり、第二の皮膜２の体積比熱を１０００［ｋＪ／（ｍ^３・Ｋ）］に固定し、第一の皮膜１の体積比熱を、１０、１００、１０００［ｋＪ／（ｍ^３・Ｋ）］の３条件で解析した壁温スイング幅を示している。図５（ｂ）〜（ｅ）における棒グラフの凡例も同様であるため、説明は省略する。

【0050】

図５（ａ）の熱伝導率０．１［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］では、壁温スイング幅は、第一皮膜固定では、どの体積比熱の条件においても、１５０Ｋよりやや小さい値となる。これに対して、第二皮膜固定では、体積比熱が１０００［ｋＪ／（ｍ^３・Ｋ）］のときは、１５０Ｋよりやや小さく、１０、１００［ｋＪ／（ｍ^３・Ｋ）］では２５０Ｋよりもやや大きい。すなわち、第一の皮膜１の体積比熱が第二の皮膜２の体積比熱より小さいときに、スイング幅が大きくなっている。

【0051】

図５（ｂ）の熱伝導率０．３［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］では、壁温スイング幅は、第一皮膜固定では、どの体積比熱の条件においても、１００Ｋよりやや小さい値となる。これに対して、第二皮膜固定では、体積比熱が１０００［ｋＪ／（ｍ^３・Ｋ）］のときは、１００Ｋよりやや小さく、１０、１００［ｋＪ／（ｍ^３・Ｋ）］では１００Ｋよりもやや大きい。すなわち、熱伝導率０．１［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］のときと同様に、第一の皮膜１の体積比熱が第二の皮膜２の体積比熱より小さいときに、スイング幅が大きくなっている。

【0052】

図５（ｃ）の熱伝導率０．６［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］では、壁温スイング幅は、どの体積比熱の条件においてもほぼ５０Ｋ近傍である。ただし、体積比熱が１０、１００［ｋＪ／（ｍ^３・Ｋ）］のときに、第二皮膜固定の方が、第一皮膜固定よりもスイング幅が大きい。すなわち、第一の皮膜１の体積比熱が第二の皮膜２の体積比熱より小さいときに、スイング幅が大きくなっている。

【0053】

上記の図５（ａ）〜（ｃ）に対して、図５（ｄ）の熱伝導率１．０［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］では、壁温スイング幅は、第一皮膜固定及び第二皮膜固定に関わらず、どの体積比熱の条件においても、５０Ｋよりやや小さい値となる。また、図５（ｅ）の熱伝導率１０［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］では、壁温スイング幅は、どの条件においても、ほぼゼロに近い状態である。

【0054】

また、図５（ａ）〜（ｅ）において、第一皮膜固定で示される値から第二皮膜固定で示される値を引いた数値を、スイング幅の差として示している。ここで、スイングの幅の差が、ゼロより小さい値を示しているときは、図５（ａ）〜（ｃ）における上述した第一の皮膜１の体積比熱が第二の皮膜２の体積比熱より小さいときである。

【0055】

以下、スイング幅の差について説明する。上記したように、スイング幅の差がゼロより小さい値を示している条件は、図５（ａ）〜（ｃ）に示すように、熱伝導率が０．６［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］よりも小さいときである。

【0056】

ここで、熱伝導率が０．６［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］の前後であるときについて、解析した結果を、図６（ａ）〜（ｅ）に示す。

【0057】

図６に示す５つのグラフは、図５と同様に、体積比熱に対する壁温スイング幅を示すものである。５つのグラフは、異なる熱伝導率について、解析した結果を示している。ここでの熱伝導率は、第一の皮膜１及び第二の皮膜２の熱伝導率であり、図６（ａ）は、０．４［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］、図６（ｂ）は、０．５［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］、図６（ｃ）は、０．６［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］、図６（ｄ）は、０．７［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］、図６（ｅ）は、０．８［Ｗ／（ｍ・Ｋ）である。なお、図６（ｃ）の０．６［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］については、図５（ｃ）と同じグラフである。

【0058】

また、図６における各グラフにおいて、図５と同様に、棒グラフのうち、白抜きの枠で示されている凡例（第一皮膜固定）は、第一の皮膜１の体積比熱を１０００［ｋＪ／（ｍ^３・Ｋ）］に固定し、第二の皮膜２の体積比熱が、１０、１００、１０００［ｋＪ／（ｍ^３・Ｋ）］の３種類の場合における壁温スイング幅を示している。これに対して、枠内を斜線で示されている凡例（第二皮膜固定）は、第二の皮膜２の体積比熱を１０００［ｋＪ／（ｍ^３・Ｋ）］に固定し、第一の皮膜１の体積比熱が、１０、１００、１０００［ｋＪ／（ｍ^３・Ｋ）］の３種類の場合の壁温スイング幅を示している。

【0059】

図６（ａ）〜（ｅ）の解析結果からも分かるように、熱伝導率が０．４［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］から０．８［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］までの間に、体積比熱が、１０、１００［ｋＪ／（ｍ^３・Ｋ）］のときに、スイングの差が徐々に小さくなっている。また、図５の解析結果と同様に、体積比熱が同じとき、すなわち、１０００［ｋＪ／（ｍ^３・Ｋ）］では、スイング幅の差はない。

【0060】

表２は、図６（ａ）〜（ｅ）で示すスイング幅の差のうち、第一の皮膜１の体積比熱を１０００［ｋＪ／（ｍ^３・Ｋ）］として第二の皮膜２の体積比熱を１０［ｋＪ／（ｍ^３・Ｋ）］としたときのスイング幅と、第二の皮膜２の体積比熱を１０００［ｋＪ／（ｍ^３・Ｋ）］として第一の皮膜１の体積比熱を１０［ｋＪ／（ｍ^３・Ｋ）］としたときのスイング幅との差の値を示している。

【0061】

本実施形態では、スイング幅の差について有意差と判定できる値として、実験誤差等を考慮して５Ｋを選定している。図６及び表２から分かるように、熱伝導率が０．６［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］では、スイング幅に有意な差が認められる。０．７［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］、０．８［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］では、スイング幅に、３Ｋ以下の差は認められるが、有意差と判定できる差分ではなかった。したがって、本実施形態では、スイング幅に差が認められる熱伝導率を０．６［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］以下としている。すなわち、熱伝導率の閾値を０．６［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］としている。

【0062】

【表2】

【0063】

上記の解析結果から、壁温スイング幅が大きくなるときは、熱伝導率が０．６［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］以下で、第一の皮膜１の体積比熱が、第二の皮膜２よりも小さく設定されているときである。この要因として、熱伝導率が、０．６［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］以下の条件（図５（ａ）〜（ｃ）及び図６（ａ）〜（ｃ））では、筒内ガス側である第一の皮膜１の体積比熱が小さいときに、熱篭りが小さいために筒内ガス温度に追従しやすくなる。一方で、第一の皮膜１の体積比熱が大きいときには、熱が篭りやすいために筒内ガス温度との追従性が悪くなる。それ故に、熱伝導率が０．６［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］以下の条件では、体積比熱の小さい方を第一の皮膜１として形成した方が壁温スイングは大きくなる。

【0064】

これに対して、熱伝導率が０．６［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］よりも大きい条件（図５（ｄ）、（ｅ）、図６（ｄ）、（ｅ））では、筒内の燃焼ガスの熱が壁面内部（母材３の内部）まで浸透しやすく、見かけ上、第一の皮膜１と第二の皮膜２が一体化した厚膜のような振る舞いをするため、筒内ガス温度との追従性が低下する。この場合、第一の皮膜１と第二の皮膜２の体積比熱に関係なく壁温スイングは小さくなる。このため、本実施形態の遮熱膜形成体では、上述したように、第一の皮膜１及び第二の皮膜２の熱伝導率を０．６［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］以下とし、さらに、第一の皮膜１の体積比熱を、第二の皮膜２の体積比熱よりも小さくなるように設定している。

【0065】

次に、遮蔽膜の形成例について、図２のフローチャートに沿って説明する。また、作製された遮蔽膜の特性について、表３を用いて説明する。

【0066】

表３には、６つの実施例を示している。表３の実施例を大別すると、実施例１及び２では、第一の皮膜１及び第２の皮膜の熱伝導率が共に０．６［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］より大きく、実施例３〜６は、０．６［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］以下である。

【0067】

実施例１では、第一の皮膜１及び第二の皮膜２を、それぞれシリカガラス及びホウケイ酸ガラスとし、第一の皮膜１及び第二の皮膜２の体積比熱をそれぞれ１６５０、２０１６［ｋＪ／（ｍ^３・Ｋ）］としている。実施例２では、実施例１の第二の皮膜２を、実施例２の第一の皮膜１とし、実施例１の第一の皮膜１を、実施例２の第二の皮膜２としている。ここで、実施例１と実施例２とでは、スイング特性はほぼ同じである。このため、第一皮膜及び第二の皮膜のうち、どちらを母材側としてもよい。

【0068】

実施例３〜６は、第一の皮膜１及び第二の皮膜２は、全て陽極酸化皮膜である。実施例３では、第一の皮膜１及び第二の皮膜２の体積比熱をそれぞれ１７７６、２２０８［ｋＪ／（ｍ^３・Ｋ）］としている。実施例４では、実施例３の第二の皮膜２を実施例４の第一の皮膜１とし、実施例３の第一の皮膜１を実施例４の第二の皮膜２としている。ここで、実施例３の方が実施例４よりもスイング特性が大きく、良好である。

【0069】

同様に、実施例５では、第一の皮膜１及び第二の皮膜２の体積比熱をそれぞれ１９３２、２１４４［ｋＪ／（ｍ^３・Ｋ）］としている。実施例６では、実施例５の第二の皮膜２を実施例６の第一の皮膜１とし、実施例５の第一の皮膜１を実施例６の第二の皮膜２としている。ここで、実施例５の方が実施例６よりもスイング特性が大きく、良好である。

【0070】

上述した条件、すなわち、第一の皮膜１及び第二の皮膜２の熱伝導率を０．６［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］以下（図２におけるステップ２）であり、さらに、第一の皮膜１の体積比熱を、第二の皮膜２の体積比熱よりも小さくなるように設定（ステップ３）しているのは、実施例３及び実施例５である。これらの例では、壁温スイングが良好である。

【0071】

【表3】

【0072】

ここで、熱伝導率が０．６［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］以下の陽極酸化皮膜である実施例５における第一の皮膜１及び第二の皮膜２の作製例について、説明する。

【0073】

先ず、実施例５における第一の皮膜１の作製例について説明する。
アルミニウム部材として、アルミニウム合金（AC8A）を試験片として用いた。このAC8Aに対して、直流電解法により陽極酸化を行い、陽極酸化皮膜を形成した。陽極酸化処理は２０℃、濃度２００［ｇ／Ｌ］の硫酸浴中で、電流密度を１．５［Ａ／ｄｍ^２］とし処理を行った。本直流電解陽極酸化皮膜の熱伝導率は、０．４２［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］であった。密度は２．２２［ｇ／ｃｍ^３］、空孔率は１７％（長尺状のセルに対する孔の体積／孔を含むセル全体の体積）であった。

【0074】

続いて、実施例５における第二の皮膜２の作製例について説明する。
アルミニウム部材としてAC8Aを使用した。当該AC8Aに対して、交直重畳電解法により陽極酸化を行い、陽極酸化皮膜を形成した。陽極酸化処理は２０℃、濃度２００［ｇ／Ｌ］の硫酸浴中で、高周波電流の周波数を１０ｋＨｚとし、正極２５Ｖ、負極２Ｖで処理を行った。交直重畳電解陽極酸化皮膜の熱伝導率は、０．５３［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］であった。密度は３．２０［ｇ／ｃｍ^３］、空孔率は粒状のため測定不能であった。

【0075】

陽極酸化皮膜の熱伝導率は、基材成分、電解液の種類及び濃度、温度、電圧、電流密度等の影響も受けるが、空孔率が最も影響する。基材成分等により変化するため一般化は困難であるものの、空孔率が高い方が熱伝導率は低くなるため、１０％以上、より好ましくは１５％以上、さらに好ましくは１７％以上であることが好ましい。なお、陽極酸化皮膜以外で、熱伝導率が０．６［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］以下の皮膜の例としては、例えば、中空ビーズ入り皮膜等のナノ中空粒子を有する皮膜が考えられる。

【0076】

以上の説明から分かるように、内燃機関エンジンの燃焼室の部品に本実施形態で説明した第一の皮膜１及び第二の皮膜２を形成することにより、低熱伝導率及び低体積比熱を両立することが可能になる。また、当該遮熱膜は、良好な壁温スイング特性を得る。

【0077】

上記実施形態の説明は、本発明を説明するための例示であって、特許請求の範囲に記載の発明を限定するものではない。また、本発明の各部構成は上記実施形態に限らず、特許請求の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能である。

【0078】

例えば、本実施形態では、第一の皮膜１と第二の皮膜２を積層しているが、これに限らず、３層以上積層することも可能である。

【符号の説明】

【0079】

１ 第一の皮膜
２ 第二の皮膜
３ 母材
３ａ 母材表面

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】