JP6035795B2 - 遮熱膜の製造方法、遮熱膜、及び内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は、熱伝達を低下する遮熱膜の製造方法、遮熱膜、及び内燃機関に関する。

燃費の向上を図るためには、内燃機関の熱効率を向上させることが有効である。内燃機関の熱効率を向上するためには、燃焼中に発生した熱を逃がさない構造が必要となる。つまり、燃焼室の内壁を、熱伝導率の小さい、つまり断熱性、又は遮熱性の高い構造で形成することである。

そこで、熱伝導率の低いセラミックを用いる所謂セラミックエンジンと呼ばれるものがある。例えば、ピストンの頂面部をセラミックで形成し、ピストン本体と空気の隙間を設けて取り付けるエンジンや、セラミックスをコーティングしたエンジンもしくは燃焼室そのものをセラミックスで構成するエンジンである。

しかし、セラミック部分の熱容量が大きく、吸気行程中も温度が高いため、充填効率が上がらずに却って燃費が悪化してしまうという問題がある。また、セラミック自体が高価で、加工が容易ではないため、コストが高いという問題もある。

そこで、遮熱層を内燃機関の燃焼室の内壁などに形成することで、燃焼室内の燃焼ガスからの熱伝達を低下させて熱効率を向上させる装置がある（例えば、特許文献１又は２参照）。これらの装置は、遮熱層内の空孔率を増加させることで、空気の熱伝導率が比較的小さいことを利用して、遮熱層の遮熱性、又は断熱性を向上するものである。

特許文献１に記載の装置では、遮熱膜を陽極酸化皮膜で形成し、その形成時に電解質および金属の種類、温度や電圧等の条件により膜内にポーラスと呼ばれる孔を発生させて、空孔率を増加させている。また、特許文献２に記載の装置では、断熱材に球状メソポーラスシリカ粒子を混入して空孔率を増加させている。

しかしながら、これらの方法は、特別な材料を用いる施工、又は複雑な施工が必要である上に、施工に時間がかかるため、安価に大量生産することができないという問題がある。また、特許文献１に記載の装置には、遮熱層を陽極酸化皮膜で形成することから、被皮膜物が導電性であることが必要という問題がある。一方、特許文献２に記載の装置には、遮熱層をピストンに使用する際に接着剤などで貼り付けることから、強度面上の問題がある。

特開２０１０−２４９００８号公報 特開２０１１−０５２６３０号公報

本発明は、上記の問題を鑑みてなされたものであり、その目的は、膜厚を薄くしても、硬度が高く、且つ熱伝達性の低い遮熱膜を短時間に、且つ容易な方法で製造することができる遮熱膜の製造方法、遮熱膜、及び内燃機関を提供することである。

上記の目的を解決するための本発明の遮熱膜の製造方法は、被メッキ物の表面に積層し た状態でその表面を覆う金属メッキ層を備えた遮熱膜の製造方法において、メッキ液の内部にマイクロバブルを分散し、前記被メッキ物を前記メッキ液でメッキして、前記被メッ キ物の表面にニッケルを主成分とした前記金属メッキ層を、前記マイクロバブルを内包さ せて析出することを特徴とする方法である。

ここでいうマイクロバブルとは直径５０μｍ以下の微細な気泡のことであり、通常の気泡に比べ液中での上昇速度が遅く、長い期間液中に滞在し続け、且つ、負に帯電し、マイクロバブル同士が反発し合い、気泡濃度が減ることがないという性質を持つものである。

この方法によれば、このマイクロバブルを内包させることで、遮熱膜中の空孔率が増加するため、膜厚を薄くしても遮熱性を向上することができる。また、マイクロバブルはその性質上、メッキ液中に略均一に分散するので、容易に均一化することができる。

また、膜厚を薄く形成しても、金属メッキ層により硬度の高い、且つマイクロバブルを内包させることにより熱伝導性の低い遮熱膜を短時間に製造することができる。そして、メッキ液にマイクロバブルを分散するだけで製造することができ、安価に短時間に遮熱層を被メッキ物に形成することができるので、大量生産することができる。

また、上記の遮熱膜の製造方法において、外部から導入した空気を、又は前記メッキ液を減圧して発生させた蒸気を、マイクロバブル化して、前記メッキ液の内部に、直径が１μｍより大きく、且つ１０μｍ以下の前記マイクロバブルを分散すると、容易にメッキ液中にマイクロバブルを分散することができる。

このマイクロバブルは、マイクロバブル発生装置に導入した空気を、又はメッキ液を減圧した際に発生するメッキ液の蒸気を、気液せん断法、加圧減圧法、又は超音波法などによりマイクロバブル化したものである。直径が５０μｍ以下のマイクロバブルは、メッキ液に均一に分散するので、容易にメッキ皮膜の空孔率を向上すると共に、空孔を略均一に分散することができる。

加えて、上記の遮熱膜の製造方法において、次亜燐酸水溶液の前記メッキ液に還元剤を含浸して、加熱し、前記還元剤の酸化によって放出される電子により、前記マイクロバブルを内包する前記金属メッキ層を前記被メッキ物に析出すると、所謂無電解ニッケルメッキにより遮熱膜を製造することができ、電解メッキとは異なり、通電を必要しないため、プラスチックやセラミックなどの不導体にも遮熱膜を形成することができる。

また、上記の問題を解決するための遮熱膜は、被メッキ物の表面に積層した状態でその 表面を覆う金属メッキ層を備えた遮熱膜において、前記金属メッキ層がマイクロバブルを内包することを特徴とする。この構成によれば、金属メッキ層中に略均一に分散したマイクロバブルが、皮膜内部の空孔率を向上することができるので、熱伝導性を低下することができる。また、金属メッキ層であるため、遮熱膜の硬度を高くすることができる。

加えて、上記の遮熱膜において、層厚が１００μｍ以下の前記金属メッキ層が、直径が１μｍより大きく、且つ１０μｍ以下の前記マイクロバブルを内包していると、遮熱膜の熱容量を低減すると共に、遮熱性を向上することができる。また、メッキ液にマイクロバブルを分散し、被メッキ物に金属メッキ層を析出して製造することができるので、膜厚が薄い且つ遮熱性の高い遮熱膜を短時間で、容易の製造することができる。

マイクロバブルの直径は、マイクロバブルの特性が表れる５０μｍ以下で、１μｍより大きく、好ましくは気泡個数が数百個／ｍＬとなる３０μｍ以下の所謂低濃度型のマイク
ロバブルがよく、より好ましくは気泡個数が数千個／ｍＬとなる１０μｍ以下の所謂高濃度型のマイクロバブルがよい。

加えて、上記の問題を解決するための内燃機関は、燃焼室の内壁を含むピストン頂面部の少なくとも一部に、上記に記載の遮熱膜を備えて構成される。この構成によれば、燃焼室内で発生した熱をピストン本体に伝達することを防ぐことができるので、冷却損失を減らすことができる。これにより、燃費を向上することができる。

一方、上記の問題を解決するための内燃機関は、前記燃焼室の周囲の、シリンダヘッドの下面、排気バルブの下面、吸気バルブの下面、及びシリンダボアの内面の少なくとも一つに、前記遮熱膜を備えて構成される。この構成によれば、前述と同様に、燃焼室内で発生する熱を外部に伝達することを防ぐことができる。また、遮熱膜が金属メッキ層であるため、表面が細かく、また硬度も高いため、シリンダボアの内面などの摺動面にも適用することができる。

さらに、上記の問題を解決するための内燃機関は、エキゾーストマニホールド、排気管、インレットマニホールド、及び吸気管の少なくとも一つに、前記遮熱膜を備えて構成される。この構成によれば、吸入空気が加熱されることを防ぎ、また排ガスが冷却されることを防ぐことができる。

本発明によれば、膜厚を薄くしても、硬度が高く、且つ熱伝達性の低い遮熱膜を短時間に、且つ容易な方法で製造することができる。また、マイクロバブルを内包させることで、遮熱膜内に均一な空孔を容易に分散でき、且つ膜厚を薄く形成することができる。

本発明に係る実施の形態の遮熱膜を示した断面図である。 本発明に係る第１の実施の形態の遮熱膜を製造する装置を示した構成図である。 本発明に係る第２の実施の形態の遮熱膜を製造する装置を示した構成図である。 本発明に係る実施の形態の内燃機関を示した断面図である。

以下、本発明に係る実施の形態の遮熱膜の製造方法、遮熱膜、及び内燃機関について、図面を参照しながら説明する。なお、図面に関しては、構成が分かり易いように寸法を変化させており、各部材、各部品の板厚や幅や長さなどの比率も必ずしも実際に製造するものの比率とは一致させていない。特に、膜厚に関しては、５０μｍ〜１００μｍと非常に薄いものであるが、図面では厚く記載している。

まず、本発明に係る実施の形態の遮熱膜について、図１を参照しながら説明する。遮熱膜１０は、マイクロバブル１１を内包する金属メッキ層１２で形成され、被メッキ物１に析出し、燃焼部２からの熱を遮熱するものである。

この遮熱膜１０は非常に薄い膜であり、膜厚ｈは６００μｍ以下の厚さが好ましく、５０μｍ〜１００μｍの厚さがより好ましい。膜厚ｈを薄くすると、例えば、燃焼室の内壁に成膜する場合に、熱容量を低減することができる。遮熱膜１０を遮熱効果が低下しない程度、且つ熱容量が増加しない程度の厚さに形成することで、熱容量の増加による体積効率の低下を防ぎ、熱エネルギーが溜まることで発生する、燃焼室内の温度が上がり次行程で空気が入らなくなるという問題を解決することができる。

マイクロバブル１１は、微細な気泡のことであり、その直径ｒが５０μｍ以下、１μｍ
より大きい気泡のことである（直径ｒが１μｍ以下の気泡をナノバブルという）。気泡の直径ｒが５０μｍ以下になると、以下のような性質を持つ。

マイクロバブル１１は、気泡体積が微細であるため、液中を上昇する速度が遅く、通常の気泡と比較して長い間、液中に滞在するという性質を持つ。例えば、直径ｒが１０μｍの気泡は一分間に３ｍｍ程度の上昇しかしない。

また、マイクロバブル１１は、コロイドとしての側面があり、負に帯電している。このため、マイクロバブル１１同士は液中で反発し合う。この性質のため、マイクロバブル１１同士の結合が無く、気泡濃度が減ることがない。加えて、この性質のため、マイクロバブル１１は、液中に均一に拡散するという性質も持つ。

上記の遮熱膜１０は、金属メッキ層１２内に、５０μｍ以下のマイクロバブル１１を、好ましくは３０μｍ以下の所謂低濃度型マイクロバブル１１を、より好ましくは１０μｍ以下の所謂高濃度型マイクロバブル１１を内包する。より小さいマイクロバブル１１の方が、液中での上昇速度が遅くなるため、好ましい。

この遮熱膜１０は、金属メッキ層１２がマイクロバブル１１を内包するので、金属メッ キ層１２内の空孔率を高めて、燃焼部２からの熱伝導性を低下させることができる。これにより、膜厚ｈを薄く形成しても、マイクロバブル１１を内包させることで、熱伝達性を低下して、遮熱することができる。また、マイクロバブル１１は、その性質上、液中に均一に拡散するため、容易に遮熱膜１０内に均一に分散させることができる。

次に、本発明に係る実施の形態の遮熱膜の製造方法について、図２及び図３を参照しながら説明する。上記の遮熱膜１０の製造方法は、被メッキ物１を、マイクロバブル１１を発生させたメッキ液１２ａに漬けて、金属メッキ層１２を被メッキ物１に析出する方法である。

まず、図２に示すように、本発明に係る第１の実施の形態の遮熱膜の製造方法で用いる製造装置２０は、メッキ析出装置２１とマイクロバブル発生装置２２を備え、メッキ析出装置２１に加温メッキ槽２３、加温装置２４、及び攪拌装置２５を、マイクロバブル発生装置２２に、メッキ液吸入管２６、空気吸入管２７、及びメッキ液排出管２８をそれぞれ備える。

次に、上記の製造装置２０を用いて、無電解ニッケルメッキにより、被メッキ物１に遮熱膜１０を析出する方法について説明する。なお、この実施の形態では、メッキ液１２ａに次亜燐酸水溶液を用いて、その次亜燐酸水溶液に、鉄、ニッケル、コバルト、パラジウムなどの鉄族元素や白金族元素の金属などの還元剤１３を含浸して、加熱して金属メッキ 層１２としてニッケル皮膜を析出する無電解ニッケルメッキを用いる。そのため、以下ではメッキ液１２ａを次亜燐酸水溶液１２ａとし、金属メッキ層１２をニッケル皮膜１２とする。

まず、加温メッキ槽２３に注入した次亜燐酸水溶液１２ａを、メッキ液吸入管２６からマイクロバブル発生装置２２に吸入する。次に、マイクロバブル発生装置２２内で次亜燐酸水溶液１２ａに、空気吸入管２７から導入した空気を、周知の技術の気液せん断法によりマイクロバブル化し、次亜燐酸水溶液１２ａ内にマイクロバブル１１を分散する。次に、このマイクロバブル１１を内包した次亜燐酸水溶液１２ａをメッキ液排出管２８から加温メッキ槽２３へ戻す。

加温メッキ槽２３内の次亜燐酸水溶液１２ａに十分にマイクロバブル１１が分散した状
態になると、次に、還元剤１３を含浸し、加温装置２４により次亜燐酸水溶液１２ａを加熱する。次に、加温メッキ槽２３の次亜燐酸水溶液１２ａに被メッキ物１を浸すと、還元剤１３の酸化によって放出される電子により、被メッキ物１にマイクロバブル１１を内包したニッケル皮膜１２を析出して、この製造方法は完了する。

マイクロバブル１１を内包することで、ニッケル皮膜１２の表面に凹凸があるようであれば、マイクロバブル１１を分散しない次亜燐酸水溶液１２ａに浸し、表面のみをメッキしてもよい。これにより、表面の凹凸を埋め、表面を滑らかにすることができる。

上記の製造方法は、電解メッキや無電解メッキの液中に、微粒子を懸濁させながらメッキすると、金属メッキ層中にこれらの微粒子が含有された複合金属メッキ層を形成する、所謂ナノ粒子複合メッキを応用したものであり、微粒子の代わりにマイクロバブル１１を用いた方法である。

上記の方法によれば、短時間にマイクロバブ１１を内包した薄い膜厚の遮熱膜１０を、無電解ニッケルメッキにより被メッキ物１に析出することができる。これにより、自動車用エンジンなどの大量生産品に容易に適用することができる。

また、マイクロバブル１１がその性質上、次亜燐酸水溶液１２ａの内部に略均一に分散するので、容易に遮熱膜１０の内部の空孔を略均一に分散することができる。加えて、無電解メッキで製造することができるので、伝導性のないもの、例えばプラスチックやセラミックなどにも遮熱膜１０を析出することができる。

次に、本発明に係る第２の実施の形態の遮熱膜の製造方法について、図３を参照しながら説明する。この製造装置３０は、第１の実施の形態の製造装置２０のマイクロバブル発生装置２２に換えて、空気吸入管を備えず、空気を吸入しないマイクロバブル発生装置３１を備える。

第２の実施の形態の製造方法は、加温メッキ槽２３から次亜燐酸水溶液１２ａをメッキ液吸入管３２からマイクロバブル発生装置３１に吸入する。次に、マイクロバブル発生装置３１の内部で次亜燐酸水溶液１２ａを減圧し、それに伴い発生する次亜燐酸水溶液１２ａの蒸気（図示しない）を周知の技術の気液せん断法、加圧減圧法、又は超音波によりマイクロバブル化し、次亜燐酸水溶液１２ａ内にマイクロバブル１１を分散する。

次に、このマイクロバブル１１を内包した次亜燐酸水溶液１２ａをメッキ液排出管３３から加温メッキ槽２３へ戻す。次に、前述と同様に、マイクロバブル１１を内包した薄い膜厚のニッケル皮膜１２を、無電解ニッケルメッキにより被メッキ物１に析出する。この方法によれば、前述と同様に、短時間にマイクロバブル１１を内包した遮熱膜１０を形成することができる。

なお、上記の製造方法は一例であり、本発明は無電解ニッケルメッキに限定せず、例えば、遮熱膜１０を析出する被メッキ物１を伝導性のあるものに限定すれば、電解メッキの製造方法を用いてもよい。

また、マイクロバブル発生装置２２として、外部から空気を導入して、気液を攪拌する方法、又は気液二相流旋回法などの気液せん断法によりマイクロバブル１１を発生する装置を用いたが、例えば、超音波によりマイクロバブル１１を発生する装置を用いてもよい。

さらに、上記のマイクロバブル発生装置２２又は３１を用いずに、容器内（密閉した加
温メッキ槽でもよい）のメッキ液１２ａを加圧して、空気などの気体を溶解し、過飽和になったメッキ液１２ａを減圧して、メッキ液１２ａ内にマイクロバブル１１を発生させる方法もある。

次に、本発明に係る実施の形態の内燃機関について、図４を参照しながら説明する。ここでは、図１に示した被メッキ物１をエンジン４０、また、燃焼部２を燃焼室４４ａとする。図４に示すように、エンジン４０は、シリンダブロック４１とシリンダヘッド４２とを備え、シリンダボア４３、ピストン４４、インジェクタ４５、排気路４６、排気バルブ４７、吸気路４８、及び吸気バルブ４９を備える。

このエンジン４０は、上記に記載の遮熱膜１０を、ピストン４４の上面に形成された燃焼室４４ａの内壁を含む、ピストン頂面部４４ｂに備える。この構成によれば、燃焼室４４ａで発生した熱をピストン本体４４ｃに伝達することがないので、冷却損失を減らして、燃費を向上することができる。

また、例えば、ピストン４４を、それぞれ別体の燃焼室４４ａを有する上部構造体と、コンロッドシャフトと接合される下部構造体とを接合して形成したものを用いる場合は、上部構造体の全表面に遮熱膜１０を設けると、より冷却損失を減らすことができる。

加えて、燃焼室４４ａからの冷却損失を減らすために、遮熱膜１０を、燃焼室４４ａの周囲に配置する。詳しくは、シリンダヘッド４２の下面、シリンダボア４３の内壁面、排
気バルブ４７の下面、及び吸気バルブ４９の下面に備える。

この構成によれば、燃焼室４４ａ内で発生する熱が、燃焼室４４ａの外部に伝わることを抑制することができるので、冷却損失を減らして、燃費を向上することができる。また、遮熱膜１０はエンジン４０の構成部材にメッキにより容易に析出することができ、短時間で大量に製造することができる。

さらに、遮熱膜１０は、メッキ皮膜１２で形成されるため、表面を細かく、且つ硬度を高くすることができる。これにより、シリンダボア４３の内壁面などの摺動面にも適用することができる。この実施の形態では、遮熱膜１０を上記のように設けたが、燃焼室４４ａの周囲の構成部材の少なくとも一つに設けてもよい。

その上、遮熱膜１０を、排気路４６のエキゾーストマニホールド４６ａ及び排気管４６ｂと、吸気路４８のインテークマニホールド４８ａ及び吸気管４８ｂのそれぞれの内壁に設けると、吸入空気を加熱することなくエンジン４０へ供給し、排ガスの温度を高温のままＤＰＦ（ディーゼル微粒子捕集フィルタ）などの排ガスの後処理装置へ供給することができる。

また、本発明の遮熱膜１０は、膜厚の薄い、且つ遮熱効果の高い金属メッキ層であり、エンジン４０に限定せず、様々な装置に適用することができる。例えば、タービンや建築材などにも適用することができる。

本発明の遮熱膜の製造方法は、膜厚を薄くしても、熱伝達性を低下して、遮熱することができる遮熱膜を短時間に、且つ容易な行程で製造することができるので、特に、大量生産される車両に利用することができる。

１ 被メッキ物
２ 燃焼部
１０ 遮熱膜
１１ マイクロバブル
１２ 金属メッキ層（ニッケル皮膜）
１２ａ メッキ液
１３ 還元剤
２０、３０ 製造装置
２１ メッキ析出装置
２２、３１ マイクロバブル発生装置
４０ エンジン（内燃機関）

Claims (8)

1. 被メッキ物の表面に積層した状態でその表面を覆う金属メッキ層を備えた遮熱膜の製造方法において、
   メッキ液の内部にマイクロバブルを分散し、前記被メッキ物を前記メッキ液でメッキして、前記被メッキ物の表面にニッケルを主成分とした前記金属メッキ層を、前記マイクロバブルを内包させて析出することを特徴とする遮熱膜の製造方法。
2. 外部から導入した空気を、又は前記メッキ液を減圧して発生させた蒸気を、マイクロバブル化して、前記メッキ液の内部に、直径が１μｍより大きく、且つ１０μｍ以下の前記マイクロバブルを分散することを特徴とする請求項１に記載の遮熱膜の製造方法。
3. 次亜燐酸水溶液の前記メッキ液に還元剤を含浸して、加熱し、前記還元剤の酸化によって放出される電子により、前記マイクロバブルを内包する前記金属メッキ層を前記被メッキ物に析出することを特徴とする請求項１又は２に記載の遮熱膜の製造方法。
4. 被メッキ物の表面に積層した状態でその表面を覆う金属メッキ層を備えた遮熱膜において、前記金属メッキ層がマイクロバブルを内包することを特徴とする遮熱膜。
5. 厚さが１００μｍ以下の前記金属メッキ層が、直径が１μｍより大きく、且つ１０μｍ以下の前記マイクロバブルを内包していることを特徴とする請求項４に記載の遮熱膜。
6. 燃焼室の内壁を含むピストン頂面部の少なくとも一部に、請求項４又は５に記載の遮熱膜を備えることを特徴とする内燃機関。
7. 燃焼室の周囲の、シリンダヘッドの下面、排気バルブの下面、吸気バルブの下面、及びシリンダボアの内面の少なくとも一つに、請求項４又は５に記載の遮熱膜を備えることを特徴とする内燃機関。
8. エキゾーストマニホールド、排気管、インレットマニホールド、及び吸気管の少なくとも一つに、請求項４又は５に記載の遮熱膜を備えることを特徴とする内燃機関。