WO2013129430A1 - 断熱部材、及びエンジン燃焼室構造 - Google Patents

断熱部材、及びエンジン燃焼室構造 Download PDF

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幹也 市村
重治 橋本
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    • F05C2251/04—Thermal properties
    • F05C2251/048—Heat transfer

Definitions

  • the present invention relates to a heat insulating member for improving the thermal efficiency of an engine and improving fuel consumption, and an engine combustion chamber structure.
  • the present invention relates to a heat insulating member focused on heat transfer by radiation from a fuel combustion flame to an inner wall constituting an engine combustion chamber, and an engine combustion chamber structure.
  • Patent Document 1 aims to supply a film having a low thermal conductivity, a low heat capacity, and excellent durability and reliability that is free from peeling and dropping for use in an engine combustion chamber.
  • an anodized film having a film thickness of more than 20 ⁇ m and 500 ⁇ m or less and a porosity of 20% or more is formed on the inner wall constituting the engine combustion chamber. .
  • Patent document 2 aims at providing an internal combustion engine provided with the structural member which improved the heat insulation performance.
  • a heat insulating material is disposed adjacent to the inner wall of the exhaust passage, and high-temperature working gas (exhaust gas) flows along a flow path formed by the heat insulating material.
  • the heat insulating material is laminated in a state where each particle of spherical mesoporous silica particles having an average particle diameter of 0.1 to 3 ⁇ m is densely dissolved through the bonding material.
  • the spherical mesoporous silica particles have innumerable mesopores having an average pore diameter of 1 to 10 nm.
  • Patent Document 3 discloses that the piston head portion is formed of ceramics to improve engine performance.
  • Patent Documents 1 and 2 try to realize low thermal conductivity and low heat capacity by forming a porous material on the inner wall of the engine combustion chamber in order to improve the thermal efficiency of the engine.
  • the inner wall of the engine combustion chamber is porous, radiant heat transfer from the combustion flame cannot be suppressed (permeated), and heat may be easily transmitted to the engine component.
  • the fuel injected into the engine combustion chamber is absorbed by the porous inner wall, and a normal combustion reaction may not occur.
  • the fuel may block the pores.
  • Japanese Patent Application Laid-Open No. H10-228707 describes that the pore opening is sealed with a dense layer on the outermost surface of the anodized film.
  • the dense layer is preferably thin from the viewpoint of low heat transfer and low volume heat capacity, and it is described that there is no difference in thermal characteristics even when the opening is sealed.
  • Patent Document 3 although the ceramic piston head is mechanically fixed, it does not have a function for improving thermal efficiency such as low thermal conductivity.
  • An object of the present invention is to provide a heat insulating member and an engine combustion chamber structure for improving the thermal efficiency of an engine and improving fuel consumption.
  • the present inventors provide a heat insulating member comprising a heat insulating member including a substrate, a surface dense layer having a porosity of 5% or less, and a heat insulating porous layer having a porosity larger than the porosity of the surface dense layer.
  • the present inventors have found that the above problems can be solved. That is, according to the present invention, the following heat insulating member and engine combustion chamber structure are provided.
  • the surface dense layer is a heat insulating member having a porosity of 5% or less, and the heat insulating porous layer has a porosity larger than the porosity of the surface dense layer.
  • the heat insulating performance of the engine combustion chamber can be improved and fuel consumption can be improved. Since the surface dense layer and the heat insulating porous layer are formed on the substrate, it is possible to perform the film forming process at a high temperature. Moreover, since the surface dense layer and the heat insulating porous layer are supported by the substrate, it is easy to attach to the engine combustion chamber.
  • the surface dense layer is a dense layer having a porosity of 5% or less, it is possible to reflect radiation and suppress the absorption of fuel and the adhesion of burning residue.
  • a porous heat-insulating porous layer below the surface dense layer, heat transfer to the engine component can be suppressed. Therefore, the durability of the engine constituent members constituting the engine combustion chamber is also improved.
  • the heat insulating member 1 includes a substrate 5 made of ceramics, a heat insulating porous layer 3 formed of ceramics on the surface of the substrate 5, and a surface of the heat insulating porous layer 3 made of ceramics. And the formed surface dense layer 2.
  • the surface dense layer 2 has a porosity of 5% or less. Further, the heat insulating porous layer 3 has a porosity larger than that of the surface dense layer 2.
  • the bonding layer 4 is a layer for bonding the respective layers provided between the surface dense layer 2 and the heat insulating porous layer 3 and between the substrate 5 and the heat insulating porous layer 3. That is, the first bonding layer 4 a is provided between the heat insulating porous layer 3 and the surface dense layer 2. Further, a second bonding layer 4 b is provided between the substrate 5 and the heat insulating porous layer 3. A configuration without the bonding layer 4 can also be adopted.
  • the engine combustion chamber structure of the present invention includes the heat insulating member 1 on at least one surface of the piston 14, the valve heads 16s and 17s, and the cylinder head 13.
  • the heat insulation performance of the engine combustion chamber 20 can be improved.
  • the heat insulating porous layer 3 can suppress heat transfer from the surface dense layer 2 to the engine constituent member 21. For this reason, at the time of fuel combustion, the temperature of the inner wall of the engine constituent member 21 (the wall surface constituting the engine combustion chamber 20) easily rises following the gas temperature of the engine combustion chamber 20.
  • FIG. 3 is a diagram showing the gas temperature in the engine combustion chamber 20 and the temperature of the inner wall of the engine component 21.
  • the horizontal axis is the crank angle of the engine 10 and corresponds to time.
  • the vertical axis is temperature.
  • the temperature of the inner wall that does not include the heat insulating member 1 greatly deviates from the gas temperature of the engine combustion chamber 20.
  • the temperature of the inner wall provided with the heat insulating member 1 tends to rise following the gas temperature in the engine combustion chamber 20.
  • heat loss can be reduced and overheating of the intake air can be prevented. This will be described in more detail below.
  • the substrate 5 serves as a support that supports the surface dense layer 2 and the heat insulating porous layer 3.
  • the substrate 5 preferably has a thickness of 1 to 30 mm (thickness of a portion having a planar spread; see FIGS. 1, 4A and 4B). If the thickness is about this level, the strength can be sufficient as a supporting substrate, and the heat insulating porous layer 3 and the surface dense layer 2 can be easily formed on the substrate 5.
  • the substrate 5 preferably has a four-point bending strength (JIS R1601) of 20 MPa or more. That is, the substrate 5 has sufficient mechanical strength to exist independently.
  • the substrate 5 can be formed of ceramics, and examples thereof include zirconia, alumina, silica, mullite, spinel, cordierite, aluminum titanate, titania, silicon nitride, silicon carbide, zinc oxide, and glass.
  • the substrate 5 can be manufactured using a press molding method, an injection molding method, a casting molding method, an extrusion molding method, or the like, which is known as a ceramic molding method.
  • the substrate 5 should be manufactured using a gel cast method.
  • it is possible to obtain a shape that matches the shape of the piston 14 to be joined.
  • it may be manufactured by processing into a predetermined shape after molding (unfired) or after firing.
  • the heat insulating porous layer 3 and the substrate 5 are preferably formed of ceramics having the same or similar composition.
  • the same or similar composition means “there is no difference exceeding 5 at% when the abundance of constituent elements is expressed as a percentage of atomic composition”.
  • the heat insulating porous layer 3 is a porous ceramic layer and has a porosity higher than that of the surface dense layer 2.
  • the porosity of the heat insulating porous layer 3 is preferably 10 to 99%, more preferably 20 to 90%.
  • the heat-insulating porous layer 3 preferably has nano-order pores.
  • a nano-sized pore means a pore having a pore diameter of 0.1 nm to 500 nm.
  • the heat insulating porous layer 3 preferably has a thermal conductivity of 1 W / (m ⁇ K) or less, more preferably 0.5 W / (m ⁇ K) or less, and 0.1 W / (m ⁇ K). Most preferably: Due to the low thermal conductivity, heat transfer from the surface dense layer 2 to the engine component 21 can be suppressed.
  • Heat-insulating, porous layer 3 is preferably heat capacity is 2000kJ / (m 3 ⁇ K) or less, further preferably 1000kJ / (m 3 ⁇ K) or less, 100kJ / (m 3 ⁇ K ) or less Most preferably it is. Due to the low heat capacity, the gas temperature in the engine combustion chamber 20 is likely to be lowered after the fuel is exhausted. Thereby, the compression ratio of the engine can be improved.
  • the heat insulating porous layer 3 preferably has a Young's modulus of 50 GPa or less. When the Young's modulus is low, thermal stress and thermal shock due to thermal expansion mismatch between the engine component 21 and the surface dense layer 2 can be reduced.
  • the heat-insulating porous layer 3 preferably has a thickness of 10 ⁇ m to 1 mm. By making the heat insulation porous layer 3 into this range, the heat insulation effect can be made sufficient.
  • the heat insulating porous layer 3 is a ceramic, and for example, zirconia, alumina, silica, mullite, spinel, cordierite, aluminum titanate, titania, silicon nitride, silicon carbide, zinc oxide, glass, or the like can be used. . These are preferably amorphous from the viewpoint of thermal conductivity. Moreover, you may be comprised with these single materials and the mixture of at least 2 or more types of materials may be sufficient. Examples of the mixture include a composite material in which silica-alumina fibers and hollow silica-alumina particles are dispersed in a silica matrix.
  • the thermal conductivity can be further reduced by doping the heat insulating porous layer 3 with a heavy metal element, introducing defects in the crystal structure, or making the crystal grain size nano-sized and having many grain boundaries. it can.
  • the surface dense layer 2 is a dense ceramic layer formed on the surface of the heat-insulating porous layer 3 having a porous structure.
  • the surface dense layer 2 has a porosity of 5% or less, preferably 0.01 to 4%, more preferably 0.01 to 3%.
  • radiant heat transfer to the inner wall of the engine combustion chamber 20 can be suppressed immediately after the combustion to the early combustion period, and from the surface dense layer 2 to the exhaust gas at a low temperature in the late combustion to the exhaust process. By radiating the heat, it is possible to prevent the intake gas introduced next from becoming a high temperature.
  • the surface dense layer 2 preferably has a reflectivity at a wavelength of 1.5 ⁇ m of greater than 0.5, more preferably a reflectivity at a wavelength of 1 ⁇ m to 2 ⁇ m of greater than 0.5, and a reflectivity at a wavelength of 1 ⁇ m to 2 ⁇ m. More preferably, it is larger than 0.6.
  • the surface dense layer 2 preferably has an emissivity at a wavelength of 2.5 ⁇ m of greater than 0.5, more preferably greater than 0.6, and even more preferably greater than 0.7. By having such a reflectance, conduction of heat to the heat insulating porous layer 3 can be suppressed. Moreover, by having such an emissivity, the heated surface dense layer 2 can be easily cooled.
  • the surface dense layer 2 preferably has a heat capacity of 3000 kJ / (m 3 ⁇ K) or less, and more preferably 1000 kJ / (m 3 ⁇ K) or less. Due to the low heat capacity (thin film, small volume), the temperature of the inner wall of the engine component easily follows the gas temperature in the engine combustion chamber 20. The temperature difference between the gas temperature and the heat insulating member 1 (surface dense layer 2) is reduced, and cooling loss can be reduced.
  • the surface dense layer 2 preferably has a thermal conductivity of 3 W / (m ⁇ K) or less. By setting the thermal conductivity within this range, conduction of heat to the heat insulating porous layer 3 can be suppressed.
  • the surface dense layer 2 preferably has a thickness of 20 ⁇ m or less. By setting the thickness within this range, the temperature of the inner wall of the engine component 21 (the wall surface constituting the engine combustion chamber 20) can easily follow the gas temperature of the engine combustion chamber 20.
  • the surface dense layer 2 can be formed of ceramics, and examples thereof include zirconia, alumina, silica, mullite, spinel, cordierite, aluminum titanate, titania, silicon nitride, silicon carbide, zinc oxide, and glass. It is done. Moreover, you may be comprised with these single materials and the mixture of 2 or more types of materials may be sufficient.
  • the thermal conductivity can be further lowered by doping the surface dense layer 2 with a heavy metal element, introducing defects in the crystal structure, or making the crystal grain size nano-sized and having many grain boundaries. .
  • the bonding layer 4 (first layer) is interposed between the surface dense layer 2 and the heat insulating porous layer 3. It may be configured to have one bonding layer 4a). Moreover, you may comprise so that it may have the joining layer 4 (2nd joining layer 4b) between the board
  • the bonding layer 4 preferably has a high thermal resistance, specifically 10 ⁇ 6 to 10 m 2 K / W, more preferably 10 ⁇ 5 to 10 m 2 K / W, and more preferably 10 ⁇ 10 to 10 m 2 K / W. More preferably, it is ⁇ 4 to 10 m 2 K / W.
  • a high thermal resistance specifically 10 ⁇ 6 to 10 m 2 K / W, more preferably 10 ⁇ 5 to 10 m 2 K / W, and more preferably 10 ⁇ 10 to 10 m 2 K / W. More preferably, it is ⁇ 4 to 10 m 2 K / W.
  • the thermal expansion coefficient of the bonding layer 4 is intermediate between the layers in contact with each other (the first bonding layer 4a is the surface dense layer 2 and the heat insulating porous layer 3, and the second bonding layer 4b is the heat insulating porous layer 3 and the substrate 5). It is preferable to have a thermal expansion coefficient of Further, the Young's modulus of the bonding layer 4 preferably has an intermediate Young's modulus between the layers in contact with each other. Furthermore, it is preferable that the bonding layer 4 has a material composition that suppresses the mutual reaction between the layers in contact with each other. This improves the oxidation resistance and the reaction resistance, and improves the durability of the heat insulating member.
  • the bonding layer 4 is preferably a material having an adhesive function or a material that can be formed as a thin film, and examples thereof include an inorganic adhesive, a colloidal solution, a preceramic polymer, a brazing material, and a plating film.
  • the heat insulating member 1 is provided on the surface (inner wall) that constitutes the engine combustion chamber 20 of the engine component 21. Specifically, the upper surface 14s of the piston 14, the intake valve 16, the valve heads 16s and 17s of the exhaust valve 17, the bottom surface 13s of the cylinder head 13, and the like can be given.
  • FIG. 2 is an embodiment showing an engine.
  • the engine 10 includes a cylinder block 11 in which a cylinder 12 is formed, and a cylinder head 13 attached so as to cover the upper surface of the cylinder block 11.
  • a piston 14 is provided in the cylinder 12 of the cylinder block 11 so as to be slidable in the vertical direction.
  • a spark plug 15 is attached to the cylinder head 13.
  • an intake valve 16 and an exhaust valve 17 are attached.
  • the intake valve 16 is configured to open and close an intake passage 18 formed in the cylinder head 13
  • the exhaust valve 17 is configured to open and close an exhaust passage 19.
  • the heat insulating member 1 is provided on the upper surface 14 s of the piston 14.
  • the substrate 5 is a piston head.
  • the heat insulating member 1 is provided on the valve heads 16 s and 17 s of the intake valve 16, the exhaust valve 17, and the bottom surface 13 s of the cylinder head 13. These surfaces are surfaces that form the engine combustion chamber 20, and by providing the heat insulating member 1 on these surfaces, the heat insulating performance can be improved.
  • Fuel is supplied to the engine combustion chamber 20 surrounded by the cylinder 12, the cylinder head 13, and the piston 14 by opening the intake valve 16, and is burned by being ignited by the spark plug 15. By this combustion, the piston 14 is pushed down. The exhaust gas generated by the combustion is exhausted by opening the exhaust valve 17.
  • the heat insulating member 1 can be fixed to the surface of the engine constituent member 21 constituting the engine combustion chamber 20 by mechanical fixing or chemical fixing.
  • mechanical fixing include screwing and fitting.
  • chemical fixation include brazing using a brazing material.
  • chemical fixing it is not necessary to form screw holes in the substrate 5, and fixing is easy.
  • the substrate 5 may be produced by casting together with a piston or the like.
  • FIG. 4A shows an embodiment in which the heat insulating member 1 is fixed to the piston 14 by screwing.
  • the substrate 5 is a piston head.
  • the substrate 5 (piston head) is formed in a disc shape having a convex portion 5a at the center.
  • the screw hole 5b is formed in the convex-shaped part 5a. Note that the thickness of the substrate of this embodiment is the thickness of the portion shown in FIG.
  • the heat insulating member 1 is placed on the upper surface 14 s of the piston 14, and the screw 8 is inserted into the screw hole 5 b of the convex portion 5 a from the back side of the upper portion of the piston. It can be fixed to the upper surface 14s.
  • the heat insulating member 1 is fixed to the upper surface 14s of the piston 14, the heat insulating member 1 is disposed above the piston ring 14r. Therefore, the heat insulating member 1 does not contact the cylinder 12, and it is not necessary to consider friction. Therefore, restrictions on roundness and dimensional accuracy are small.
  • FIG. 4B shows another embodiment in which the heat insulating member 1 is fixed to the piston 14 by screwing.
  • the convex part 5a is formed in two steps, and the base part of the convex part 5a is formed thicker than the side into which the screw is inserted. That is, in this embodiment, the strength of the convex portion 5a is enhanced and the screw fastening portion is strong.
  • the manufacturing method of the heat insulation member 1 is demonstrated.
  • the substrate 5 is prepared.
  • a slurry containing a ceramic raw material is prepared, formed into a disk shape or a plate shape, and fired to obtain a substrate 5.
  • the surface dense layer 2 and the heat insulating porous layer 3 may be formed on the substrate 5 by first forming the heat insulating porous layer 3 and then forming the surface dense layer 2 or simultaneously.
  • the heat insulating porous layer 3 can be formed on the substrate 5 by using a porous film forming method such as an EB-PVD method, a thermal spraying method, a CVD method, or a heat treatment after wet coating.
  • a porous film forming method in which heat treatment is performed after particles are deposited by electrophoretic deposition, advection accumulation, or the like may be used.
  • a porous thin plate may be separately prepared and attached to the substrate 5 with a bonding material.
  • the heat insulating porous layer 3 may be formed by applying a paste obtained by adding filler particles (preferably hollow or porous) or a pore former to the binder and kneading them, and curing them, or by heat treatment. Since the heat insulating porous layer 3 is formed on the substrate 5, the firing temperature can be increased. Therefore, the material composition width of the heat insulating porous layer 3 is wide.
  • the surface dense layer 2 is formed after the heat insulating porous layer 3 is formed, and after the sputtering method, PVD method, EB-PVD method, CVD method, AD method, thermal spraying, plasma spray method, cold spray method, plating, wet coating. It can be formed by heat treatment or the like. Alternatively, a dense thin plate may be separately prepared as the surface dense layer 2 and attached to the substrate 5 together with the heat insulating porous layer 3.
  • the first bonding layer 4 a may be provided between the heat insulating porous layer 3 and the surface dense layer 2, and the second bonding layer 4 b may be provided between the substrate 5 and the heat insulating porous layer 3.
  • the bonding layer 4 first bonding layer 4a, second bonding layer 4b
  • an inorganic adhesive, a colloidal solution, a preceramic polymer, a brazing material, or the like is applied on the substrate 5.
  • the second bonding layer 4b is formed by plating.
  • the heat insulating porous layer 3 is formed thereon by the method as described above, the first bonding layer 4a is formed in the same manner as the second bonding layer 4b, and the surface dense layer 2 is formed by the method as described above. be able to.
  • the heat insulating member 1 can be manufactured as follows. By forming a ceramic raw material to form a molded body to be the substrate 5, forming a layer to be the heat insulating porous layer 3 and the surface dense layer 2 on the unfired molded body, and integrally sintering them Moreover, the heat insulation member 1 can also be manufactured. Further, a molded body to be the substrate 5 is formed, a layer to be the heat insulating porous layer 3 is molded on the unfired molded body, and these are integrally sintered, and then a layer to be the surface dense layer 2 is molded. Further, the heat insulating member 1 can be manufactured by further sintering.
  • Example 1 A piston base material having a shape as shown in FIG. 2 was prepared by aluminum die casting.
  • a ceramic piston head (substrate 5) having a convex portion 5a and a screw hole 5b on the back side was prepared as follows so that the piston base and the screw could be fixed.
  • a slurry comprising cordierite powder, a dispersant, a gelling agent, a reaction catalyst, and an organic dispersion medium was prepared.
  • the slurry was poured into a mold at room temperature, left to stand, and then solidified at 40 ° C. and then released. Further, it was left at room temperature and then at 90 ° C. to obtain a molded body. This was fired at 1430 ° C. to obtain a dense cordierite piston head (substrate 5).
  • heat insulating films (a surface dense layer 2 and a heat insulating porous layer 3) were formed on the surface of the piston head as follows. First, a slurry (for the heat-insulating porous layer 3) made of cordierite powder, latex particles as a pore-forming material, a dispersant, a binder, and water is prepared and applied to the surface (upper surface) of the piston head. , And then dried at 90 ° C. Next, a slurry composed of cordierite powder, a dispersant, a binder, and water (for the surface dense layer 2) is prepared, applied to the surface (upper surface) of the piston head, and dried at room temperature and then at 90 ° C. I let you. This was baked at 1380 ° C. to form a heat insulating film on the surface of the cordierite piston head, whereby the heat insulating member 1 was obtained.
  • a slurry for the heat-insulating porous layer 3 made of cordierite powder, latex particles as a pore
  • the piston 14 was obtained by joining the heat insulating member 1 to the piston base member with a screw and also arranging the piston ring 14r.
  • Example 2 Similar to Example 1, a piston base material having a shape as shown in FIG. 2 was prepared.
  • a ceramic piston head (substrate 5) having the same shape as in Example 1 was produced as follows. First, a slurry composed of zirconia powder, a dispersant, a gelling agent, a reaction catalyst, and an organic dispersion medium was prepared. The slurry was poured into a mold at room temperature, left to stand, and then solidified at 40 ° C. and then released. Further, it was left at room temperature and then at 90 ° C. to obtain a molded body. This was fired at 1400 ° C. to obtain a dense zirconia piston head (substrate 5).
  • heat insulating films (a surface dense layer 2 and a heat insulating porous layer 3) were formed on the surface of the piston head as follows. First, a slurry composed of zirconia powder, melamine resin particles as a pore former, a dispersant, a binder, and water (for the heat insulating porous layer 3) is prepared, and this is applied to the surface (upper surface) of the piston head, Dry at room temperature and then at 90 ° C. Next, a slurry (for the surface dense layer 2) made of zirconia powder, a dispersant, a binder, and water was prepared, applied to the surface (upper surface) of the piston head, and dried at room temperature and then at 90 ° C. . This was baked at 1400 ° C. to form a heat insulating film on the surface of the zirconia piston head, whereby the heat insulating member 1 was obtained.
  • the piston 14 was obtained by joining the heat insulating member 1 to the piston base member with a screw and also arranging the piston ring 14r.
  • Comparative Example 1 A piston 14 using a piston head (only the substrate 5), which is the same as in Examples 1 and 2, but does not have a heat insulating film formed thereon, is referred to as Comparative Example 1.
  • the engine combustion chamber structure of the present invention can be applied to engines such as automobiles.

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Description

断熱部材、及びエンジン燃焼室構造
　本発明は、エンジンの熱効率を向上させ、燃費を向上させるための断熱部材、及びエンジン燃焼室構造に関する。特に、燃料の燃焼炎からエンジン燃焼室を構成する内壁への輻射による伝熱に注目した断熱部材、及びエンジン燃焼室構造に関する。
　エンジンの熱効率を向上させ、燃費を向上させることが望まれている。特許文献１は、エンジン燃焼室に用いるための、低熱伝導・低熱容量であり且つ剥離・脱落等のない耐久性・信頼性に優れた膜を供給することを目的とする。特許文献１では、エンジンの熱効率の向上のために、エンジン燃焼室を構成する内壁に膜厚が２０μｍより大きく５００μｍ以下であり且つ空孔率が２０％以上である陽極酸化被膜を形成している。
　特許文献２は、断熱性能を向上させた構造部材を備える内燃機関を提供することを目的とする。特許文献２の内燃機関には、排気通路の内壁に隣接して断熱材が配置され、高温の作動ガス（排気ガス）が、断熱材が形成する流路に沿って流れる。断熱材は、平均粒径が０．１～３μｍの球状メソポーラスシリカ粒子の各粒子が接合材を解して密集した状態で積層されている。球状メソポーラスシリカ粒子には、平均孔径１～１０ｎｍのメソ孔が無数に形成されている。
　特許文献３には、ピストンヘッド部をセラミックスで形成し、エンジン性能の向上を図ることが開示されている。
特開２０１０－２４９００８号公報 特開２０１１－５２６３０号公報 特開昭６３－２３０９４７号公報
　特許文献１，２のいずれの技術も、エンジンの熱効率を向上させるために、多孔質な材料をエンジン燃焼室の内壁に形成させて、低熱伝導率や低熱容量を実現しようとしている。しかしながら、エンジン燃焼室の内壁が多孔質であると、燃焼炎からの輻射伝熱を抑制できず（透過してしまい）、エンジン構成部材へと熱が伝わりやすくなるおそれがある。また、特に直噴エンジンの場合、エンジン燃焼室内に噴射した燃料は多孔質な内壁に吸収され、正常な燃焼反応が起きない場合がある。特許文献１では燃料が気孔を塞ぐことも起こりうる。
　また、燃焼室の内壁が多孔質であると、燃焼後に発生する微量の煤や燃料中の不純物の燃えかすが付着しやすくなる可能性があり、断熱多孔質層の性状が変化し、熱伝導率や熱容量が高くなる恐れがある。特許文献１には、陽極酸化被膜の最表面において、緻密層で空孔の開口部を封じることについての記載がある。しかしながら、低伝熱性、低体積熱容量の観点から緻密層は薄い方が好ましいとされており、開口部を封じても熱特性上の差異は認められないと記載されている。
　また、特許文献１，２のいずれの技術も、燃焼ガスの熱がエンジン燃焼室の内壁の最表面に伝わった後、エンジン構成部材の内部へ熱が逃げるのを抑制するために、断熱性の高い膜を形成する。しかし、燃焼ガスの熱がエンジン燃焼室の内壁の最表面に伝わることを抑制する場合に、燃焼炎から内壁の最表面への輻射による伝熱に注目していない。また、エンジン燃焼室の内壁の最表面と、そこに形成される膜とは異種材料であるため、剥離性が問題となる。
　一方、特許文献３では、セラミックス製ピストンヘッドを機械的に固定しているが、低熱伝導率などの熱効率向上のための機能は備えていない。
　本発明の課題は、エンジンの熱効率を向上させ、燃費を向上させるための断熱部材、及びエンジン燃焼室構造を提供することにある。
　本発明者らは、断熱部材が、基板と、気孔率が５％以下の表面緻密層と、表面緻密層の気孔率よりも気孔率が大きい断熱多孔質層とを含む断熱部材を備えることにより、上記課題を解決しうること見出した。すなわち、本発明によれば、以下の断熱部材、及びエンジン燃焼室構造が提供される。
［１］　セラミックスにより形成された基板と、前記基板の表面に、セラミックスにより形成された断熱多孔質層と、前記断熱多孔質層の表面に、セラミックスにより形成された表面緻密層と、を含み、前記表面緻密層は、気孔率が５％以下であり、前記断熱多孔質層は、前記表面緻密層の前記気孔率よりも気孔率が大きい、断熱部材。
［２］　前記断熱多孔質層と前記基板は、同一または類似の組成のセラミックスにより形成されている前記［１］に記載の断熱部材。
［３］　前記断熱多孔質層は、ナノオーダーの大きさの気孔を有する前記［１］または［２］に記載の断熱部材。
［４］　前記表面緻密層は、波長１．５μｍにおける反射率が、０．５より大きい前記［１］～［３］のいずれかに記載の断熱部材。
［５］　前記表面緻密層は、波長２．５μｍにおける輻射率が０．５より大きい前記［１］～［４］のいずれかに記載の断熱部材。
［６］　前記表面緻密層は、厚さが２０μｍ以下である前記［１］～［５］のいずれかに記載の断熱部材。
［７］　前記断熱多孔質層は、熱伝導率が１Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下である前記［１］～［６］のいずれかに記載の断熱部材。
［８］　前記断熱多孔質層は、熱容量が２０００ｋＪ／（ｍ３・Ｋ）以下である前記［１］～［７］のいずれかに記載の断熱部材。
［９］　前記断熱多孔質層は、厚さが１０μｍ～１ｍｍである前記［１］～［８］のいずれかに記載の断熱部材。
［１０］　前記基板は、厚さが１～３０ｍｍである前記［１］～［９］のいずれかに記載の断熱部材。
［１１］　前記基板は、４点曲げ強度が２０ＭＰａ以上である前記［１］～［１０］のいずれかに記載の断熱部材。
［１２］　前記断熱多孔質層と、前記表面緻密層との間に、第一接合層を有する前記［１］～［１１］のいずれかに記載の断熱部材。
［１３］　前記基板と、前記断熱多孔質層との間に、第二接合層を有する前記［１］～［１２］のいずれかに記載の断熱部材。
［１４］　前記［１］～［１３］のいずれかに記載の断熱部材を、エンジン構成部材のエンジン燃焼室を構成する表面に備えるエンジン燃焼室構造。
［１５］　前記断熱部材を、ピストン、バルブヘッド、シリンダヘッドの少なくともいずれかの表面に備える前記［１４］に記載のエンジン燃焼室構造。
［１６］　前記断熱部材を、前記エンジン構成部材の前記エンジン燃焼室を構成する表面に、機械的固定または化学的固定によって固定した前記［１４］または［１５］に記載のエンジン燃焼室構造。
［１７］　前記機械的固定は、ねじ止め、または嵌め合わせである前記［１６］に記載のエンジン燃焼室構造。
［１８］　前記化学的固定は、ろう接合である前記［１６］に記載のエンジン燃焼室構造。
　基板と、表面緻密層と、断熱多孔質層とを含む断熱部材をエンジン燃焼室に用いることにより、エンジン燃焼室の断熱性能を向上させ、燃費を向上させることができる。基板上に、表面緻密層と断熱多孔質層とを成膜するため、高温で成膜プロセスを行うことも可能である。また、基板により表面緻密層と断熱多孔質層とが支持されているため、エンジン燃焼室への取り付けも容易である。
　表面緻密層が気孔率５％以下の緻密な層であることにより、輻射を反射するとともに、燃料の吸収や燃えカスの付着を抑制することができる。表面緻密層の下に多孔質な断熱多孔質層を配置することにより、エンジン構成部材への伝熱を抑制することができる。したがって、エンジン燃焼室を構成するエンジン構成部材の耐久性も向上する。
表面緻密層と断熱多孔質層とを含む断熱部材を示す模式図である。 エンジンの一実施形態を示す模式図である。 エンジン燃焼室のガス温度と内壁の温度とを示す図である。 断熱部材をピストンにねじ止めにより固定した実施形態を示す図である。 断熱部材をピストンにねじ止めにより固定した他の実施形態を示す図である。
　以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。本発明は、以下の実施形態に限定されるものではなく、発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、変更、修正、改良を加え得るものである。
　図１及び図２を用いて本発明の断熱部材１及びエンジン燃焼室構造を説明する。図１に示すように、断熱部材１は、セラミックスにより形成された基板５と、基板５の表面に、セラミックスにより形成された断熱多孔質層３と、断熱多孔質層３の表面に、セラミックスにより形成された表面緻密層２と、を含む。表面緻密層２は、気孔率が５％以下である。また、断熱多孔質層３は、表面緻密層２の気孔率よりも気孔率が大きい。
　接合層４は、図１に示すように、表面緻密層２と断熱多孔質層３、基板５と断熱多孔質層３との間に設けられたそれぞれの層を接合するための層である。すなわち、断熱多孔質層３と、表面緻密層２との間に、第一接合層４ａを有する。また、基板５と、断熱多孔質層３との間に、第二接合層４ｂを有する。なお、接合層４がない構成とすることもできる。
　本発明のエンジン燃焼室構造は、断熱部材１を、ピストン１４、バルブヘッド１６ｓ，１７ｓ、シリンダヘッド１３の少なくともいずれかの表面に備える。
　断熱部材１が、緻密な表面緻密層２と、表面緻密層２の下に多孔質な断熱多孔質層３との２層を含むことにより、エンジン燃焼室２０の断熱性能を向上させることができる。エンジン燃焼室２０内における燃料の燃焼時には、表面緻密層２により輻射を反射し、排気時には、表面緻密層２から熱を放射することができる。また、断熱多孔質層３は、表面緻密層２から、エンジン構成部材２１への伝熱を抑制することができる。このため、燃料の燃焼時には、エンジン構成部材２１の内壁（エンジン燃焼室２０を構成する壁面）の温度が、エンジン燃焼室２０のガス温度に追従して上昇しやすくなる。
　図３は、エンジン燃焼室２０のガス温度とエンジン構成部材２１の内壁の温度とを示す図である。横軸は、エンジン１０のクランク角度であり、時間に対応する。縦軸は、温度である。断熱部材１を備えない内壁の温度は、エンジン燃焼室２０のガス温度と大きく乖離する。一方、断熱部材１を備えた内壁の温度は、エンジン燃焼室２０のガス温度に追従して上昇しやすい。このように、内壁の温度が、エンジン燃焼室２０のガス温度に追従しやすい場合、熱損失を低減することができるとともに、吸気の過熱を防止することができるようになる。以下、さらに詳しく説明する。
（基板）
　基板５は、表面緻密層２と断熱多孔質層３とを支持する支持体となる。基板５は、厚さ（平面的な広がりをもった部分の厚さ。図１，４Ａ，４Ｂ参照。）が１～３０ｍｍであることが好ましい。厚さがこの程度であれば、支持基材として十分な強度とすることができ、断熱多孔質層３と表面緻密層２を基板５上に形成しやすい。具体的には、基板５は、４点曲げ強度（ＪＩＳ　Ｒ１６０１）が２０ＭＰａ以上であることが好ましい。つまり、基板５は、自立して存在するに十分な機械的強度を有する。
　基板５は、セラミックスで形成することができ、例えば、ジルコニア、アルミナ、シリカ、ムライト、スピネル、コーディエライト、アルミニウムチタネート、チタニア、窒化けい素、炭化けい素、酸化亜鉛、ガラスなどが挙げられる。
　基板５は、セラミックスの成形方法として知られている、プレス成形法、射出成形法、鋳込み成形法、押出成形法などを用いて製造することができるが、特にゲルキャスト法を用いて製造することにより、接合するピストン１４等の形状に合致する形状とすることができる。あるいは、成形後（未焼成）もしくは焼成後に、所定の形状に加工して製造しても良い。
　断熱多孔質層３と基板５は、同一または類似の組成のセラミックスにより形成されていることが好ましい。ここで、「同一または類似の組成」とは、「構成元素の存在割合を原子組成百分率で示した際に５ａｔ％を越える差異がないこと」を意味する。例えば、基板５が炭化珪素であり、主成分であるＳｉ原子およびＣ原子と副成分であるＯ原子の存在割合が、「Ｓｉ：Ｃ：Ｏ＝５０ａｔ％：５０ａｔ％：０ａｔ％」であるときについて説明する。この場合、断熱多孔質層３の構成元素の割合が、「Ｓｉ：Ｃ：Ｏ＝５０ａｔ％：４７ａｔ％：３ａｔ％」や「Ｓｉ：Ｃ：Ｏ＝５０ａｔ％：４５ａｔ％：５ａｔ％」であるならば、類似の組成といえる。一方、「Ｓｉ：Ｃ：Ｏ＝５０ａｔ％：４３ａｔ％：７ａｔ％」であるならば、類似の組成とはいえない。断熱多孔質層３と基板５を、同一または類似した組成のセラミックスとすることで、断熱多孔質層３の剥離を抑制することができる。また、熱膨張のミスマッチによる剥離を回避できる。
（断熱多孔質層）
　次に、断熱多孔質層３について説明する。断熱多孔質層３は、多孔質のセラミックスの層であり、表面緻密層２の気孔率よりも気孔率が大きい。断熱多孔質層３の気孔率は、１０～９９％であることが好ましく、２０～９０％であることがより好ましい。このようにすることにより、表面緻密層２からエンジン構成部材２１への熱伝導を抑制することができる。
　断熱多孔質層３は、ナノオーダーの大きさの気孔を有することが好ましい。ここで、「ナノオーダーの大きさの気孔」とは、気孔径が０．１ｎｍ以上５００ｎｍ以下の気孔を意味する。断熱多孔質層３が、ナノオーダーの気孔を有する多孔質層であると、熱伝導率が低く、熱容量も低い。
　断熱多孔質層３は、熱伝導率が１Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下であることが好ましく、０．５Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下であることがさらに好ましく、０．１Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下であることが最も好ましい。低熱伝導率であることにより、表面緻密層２からエンジン構成部材２１への伝熱を抑制することができる。
　断熱多孔質層３は、熱容量が２０００ｋＪ／（ｍ３・Ｋ）以下であることが好ましく、１０００ｋＪ／（ｍ３・Ｋ）以下であることがさらに好ましく、１００ｋＪ／（ｍ３・Ｋ）以下であることが最も好ましい。低熱容量であることにより、燃料の排気後、エンジン燃焼室２０内のガス温度を低下させやすい。これにより、エンジンの圧縮比を向上させることができる。
　断熱多孔質層３は、ヤング率が５０ＧＰａ以下であることが好ましい。低ヤング率であると、エンジン構成部材２１と表面緻密層２との熱膨張のミスマッチによる熱応力や熱衝撃を緩和することができる。
　断熱多孔質層３は、厚さが１０μｍ～１ｍｍであることが好ましい。断熱多孔質層３をこの範囲とすることにより、断熱効果を十分なものとすることができる。
　断熱多孔質層３は、セラミックスであり、例えば、ジルコニア、アルミナ、シリカ、ムライト、スピネル、コーディエライト、アルミニウムチタネート、チタニア、窒化けい素、炭化けい素、酸化亜鉛、ガラス等を用いることができる。これらは熱伝導率の観点から非晶質であることが好ましい。また、これらの単一材料で構成されても良いし、少なくとも２種以上の材料の混合物であっても良い。混合物の例として、シリカのマトリックス中にシリカ－アルミナファイバーと中空のシリカ－アルミナ粒子が分散した複合材料などが挙げられる。
　また、断熱多孔質層３に重金属元素をドーピングしたり、結晶構造中の欠陥を導入したり、結晶粒径をナノサイズとして粒界を多く存在させることで、さらに熱伝導率を低下させることができる。
（表面緻密層）
　表面緻密層２は、多孔質な構造の断熱多孔質層３の表面に形成された緻密なセラミックスの層である。表面緻密層２は、気孔率が５％以下であり、０．０１～４％であることが好ましく、０．０１～３％であることがより好ましい。このようにすることにより、燃料の燃焼時のガス（燃料）の対流による熱伝達を防止することができる。また緻密なため、燃料の吸収やスス、燃えカスが付着しにくい。
　表面緻密層２は、燃料の燃焼時には、熱源である燃焼炎からの輻射伝熱を抑制する材料で構成される。また、表面緻密層２は、燃料の排気時には、自身の熱を放射しやすいものであることが好ましい。これには、ウイーンの変位則（λｍＴ＝２８９８［μｍ・Ｋ］：ここで、λｍは最大放射強度を示す波長、Ｔは温度を示す。）から予想される波長領域での反射率、輻射率を制御することが望ましい。すなわち、反射率は２μｍより小さい波長において大きいことが好ましく、輻射率は２μｍより大きい波長において大きいことが好ましい。これにより、燃焼直後～燃焼前期にはエンジン燃焼室２０を構成する内壁への輻射伝熱を抑制することができ、また、燃焼後期～排気工程で、低温になると表面緻密層２から排気ガスへと熱を放射することで、次に導入される吸気ガスが高温になることを防止することができる。
　表面緻密層２は、波長１．５μｍにおける反射率が、０．５より大きいことが好ましく、波長１μｍ～２μｍにおける反射率が０．５より大きいことがより好ましく、波長１μｍ～２μｍにおける反射率が０．６より大きいことがさらに好ましい。表面緻密層２は、波長２．５μｍにおける輻射率が０．５より大きいことが好ましく、０．６より大きいことがより好ましく、０．７より大きいことがさらに好ましい。このような反射率を有することにより、断熱多孔質層３への熱の伝導を抑制することができる。また、このような輻射率を有することにより、熱せられた表面緻密層２を冷めやすくすることができる。
　表面緻密層２は、熱容量が３０００ｋＪ／（ｍ３・Ｋ）以下であることが好ましく、１０００ｋＪ／（ｍ３・Ｋ）以下であることがより好ましい。低熱容量（薄膜、小体積）であることにより、エンジン構成部材の内壁の温度がエンジン燃焼室２０内のガス温度に追随しやすくなる。ガス温度と断熱部材１（表面緻密層２）との温度差が小さくなり、冷却損失を低減することができる。
　表面緻密層２は、熱伝導率が３Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下であることが好ましい。熱伝導率をこの範囲とすることにより、断熱多孔質層３への熱の伝導を抑制することができる。
　表面緻密層２は、厚さが２０μｍ以下であることが好ましい。厚さをこの範囲とすることにより、エンジン構成部材２１の内壁（エンジン燃焼室２０を構成する壁面）の温度が、エンジン燃焼室２０のガス温度に追従しやすくなる。
　表面緻密層２は、セラミックスで形成することができ、例えば、ジルコニア、アルミナ、シリカ、ムライト、スピネル、コーディエライト、アルミニウムチタネート、チタニア、窒化けい素、炭化けい素、酸化亜鉛、ガラスなどが挙げられる。また、これらの単一材料で構成されても良いし、２種以上の材料の混合物であっても良い。
　また、表面緻密層２に重金属元素をドーピングしたり、結晶構造中の欠陥を導入したり、結晶粒径をナノサイズとして粒界を多く存在させることで、さらに熱伝導率を低下させることができる。
（接合層）
　表面緻密層２と断熱多孔質層３とが、直接接合している構成としてもよいが、図１に示すように、表面緻密層２と断熱多孔質層３との間に接合層４（第一接合層４ａ）を有するように構成してもよい。また、基板５と、断熱多孔質層３との間に、接合層４（第二接合層４ｂ）を有するように構成してもよい。
　接合層４は、熱抵抗が高いことが好ましく、具体的には、１０－６～１０ｍ２Ｋ／Ｗであることが好ましく、１０－５～１０ｍ２Ｋ／Ｗであることがより好ましく、１０－４～１０ｍ２Ｋ／Ｗであることがさらに好ましい。このような接合層４を形成することにより、断熱効果をさらに十分なものとすることができる。また、接合層４を形成することにより、被接合体の熱膨張のミスマッチを緩衝し、耐熱衝撃性・耐熱応力性を向上させることができる。そのために、接合層４の熱膨張係数は、それぞれ接する層（第一接合層４ａは表面緻密層２と断熱多孔質層３、第二接合層４ｂは断熱多孔質層３と基板５）の中間の熱膨張係数を有することが好ましい。また、接合層４のヤング率は、それぞれ接する層の中間のヤング率を有することが好ましい。さらに、接合層４は、それぞれ接する層の相互の反応を抑制するような材料組成とすることが好ましく、これにより、耐酸化性や耐反応性が向上し、断熱部材の耐久性が向上する。
　接合層４としては、接着機能を有するもの、あるいは、薄膜として形成させることが可能な材料が好ましく、例えば、無機接着剤、コロイド溶液、プレセラミックポリマー、ろう材、めっき膜などが挙げられる。
（断熱部材の配置）
　次に、断熱部材１の配置について説明する。断熱部材１は、エンジン構成部材２１のエンジン燃焼室２０を構成する表面（内壁）に備えられる。具体的には、ピストン１４の上面１４ｓ、吸気バルブ１６、排気バルブ１７のバルブヘッド１６ｓ，１７ｓ、シリンダヘッド１３の底面１３ｓ等が挙げられる。
　図２は、エンジンを示す一実施形態である。エンジン１０は、シリンダ１２が形成されたシリンダブロック１１と、シリンダブロック１１の上面を覆って取り付けられたシリンダヘッド１３とを有して構成されている。シリンダブロック１１のシリンダ１２内には、ピストン１４が上下方向に摺動可能に備えられている。
　シリンダヘッド１３には、点火プラグ１５が取り付けられている。また、吸気バルブ１６、排気バルブ１７が取り付けられており、吸気バルブ１６は、シリンダヘッド１３に形成された吸気通路１８を、排気バルブ１７は、排気通路１９を開閉するように構成されている。
　図２に示すように、ピストン１４の上面１４ｓに、断熱部材１が備えられている。この場合、基板５は、ピストンヘッドである。また、吸気バルブ１６、排気バルブ１７のバルブヘッド１６ｓ，１７ｓ、シリンダヘッド１３の底面１３ｓにも同様に、断熱部材１が備えられている。これらの面は、エンジン燃焼室２０を形成する面であり、これらの面に、断熱部材１を備えることにより、断熱性能を向上させることができる。
　シリンダ１２、シリンダヘッド１３、ピストン１４によって囲まれたエンジン燃焼室２０に、吸気バルブ１６の開弁により燃料が供給され、点火プラグ１５によって点火されることにより、燃焼される。この燃焼により、ピストン１４が押し下げられる。燃焼により発生した排気ガスは、排気バルブ１７が開弁されることにより排気される。
　断熱部材１を、エンジン構成部材２１のエンジン燃焼室２０を構成する表面に、機械的固定または化学的固定によって固定することができる。機械的固定としては、ねじ止め、嵌め合わせ等が挙げられる。機械的固定を採用すると、断熱部材１が外れにくく、耐久性がある。化学的固定としては、ろう材を用いたろう接合が挙げられる。化学的固定を採用すると、基板５にねじ止めの穴を形成する必要がなく、固定が容易である。あるいは、基板５をピストン等と一緒に鋳込んで作製してもよい。
　図４Ａに、断熱部材１をピストン１４にねじ止めにより固定した実施形態を示す。ピストン１４の上面１４ｓに断熱部材１を固定した場合、基板５は、ピストンヘッドである。図４Ａに示す実施形態では、基板５（ピストンヘッド）は、中心部に凸状部５ａを有する円板形状に形成されている。そして、凸状部５ａには、ねじ穴５ｂが形成されている。なお、本実施形態の基板の厚さは、平面的な広がりをもった、図４Ａに示す部分の厚さである。
　図４Ａに示すように、断熱部材１をピストン１４の上面１４ｓに載せ、凸状部５ａのねじ穴５ｂに、ピストンの上部の裏側からねじ８を挿入することにより、断熱部材１をピストン１４の上面１４ｓに固定することができる。ピストン１４の上面１４ｓに断熱部材１を固定した場合、断熱部材１はピストンリング１４ｒより上に配置するため、断熱部材１がシリンダ１２と接触することはなく、摩擦などを考慮する必要はない。したがって、真円度や寸法精度に関する制約が小さい。
　図４Ｂに、断熱部材１をピストン１４にねじ止めにより固定した他の実施形態を示す。凸状部５ａが２段に形成されており、凸状部５ａの付け根部分がねじを挿入する側より、太く形成されている。つまり、本実施形態は、凸状部５ａの強度が強化され、ねじ締結部が強い。
（製造方法）
　次に、断熱部材１の製造方法について説明する。まず、基板５を用意する。セラミックス原料を含むスラリーを調整し、それを円板状、板状に成形し、焼成して基板５を得る。
　表面緻密層２および断熱多孔質層３は、基板５の上に、まず、断熱多孔質層３を形成させ、その後、表面緻密層２を形成させても良いし、同時に形成させても良い。
　断熱多孔質層３は、ＥＢ－ＰＶＤ法、溶射法、ＣＶＤ法、湿式コーティング後の熱処理などの多孔質膜の形成法を用いて基板５上に形成することができる。または、電気泳動堆積、移流集積などにより粒子を堆積させた後に熱処理をする多孔質膜の形成法を用いてもよい。あるいは、多孔質な薄板を別途作製して、接合材により基板５に貼り付けてもよい。さらに、結合材にフィラー粒子（中空あるいは多孔質が好ましい）や造孔材を加えて混練したペーストを塗布し、硬化させる、あるいは、熱処理して断熱多孔質層３としてもよい。基板５上に断熱多孔質層３を形成するため、焼成温度を高くすることができる。したがって、断熱多孔質層３の材料組成の幅が広い。
　表面緻密層２は、断熱多孔質層３を形成した上に、スパッタ法、ＰＶＤ法、ＥＢ－ＰＶＤ法、ＣＶＤ法、ＡＤ法、溶射、プラズマスプレー法、コールドスプレー法、めっき、湿式コーティング後の熱処理などで形成することができる。または、表面緻密層２として緻密な薄板を別途作製し、断熱多孔質層３とともに基板５に貼り付けてもよい。
　断熱多孔質層３と表面緻密層２との間に、第一接合層４ａ、基板５と断熱多孔質層３との間に、第二接合層４ｂを有するように構成することもできる。このように、接合層４（第一接合層４ａ、第二接合層４ｂ）を設ける場合は、基板５の上に、例えば、無機接着剤、コロイド溶液、プレセラミックポリマー、ろう材等を塗布、あるいは、めっき製膜により、第二接合層４ｂを形成する。そして、その上に断熱多孔質層３を前述のような方法で形成し、第一接合層４ａを第二接合層４ｂと同様に形成し、表面緻密層２を前述のような方法で形成することができる。
　あるいは、断熱部材１は、以下のようにしても製造することができる。セラミック原料を成形して、基板５となる成形体を形成し、未焼成の成形体上に、断熱多孔質層３や表面緻密層２となる層を成形し、これらを一体焼結することにより、断熱部材１を製造することもできる。また、基板５となる成形体を形成し、未焼成の成形体上に、断熱多孔質層３となる層を成形し、これらを一体焼結した後、表面緻密層２となる層を成形し、さらに焼結することにより、断熱部材１を製造することもできる。
　以下、本発明を実施例に基づいてさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
（実施例１）
　アルミニウムダイキャストにより、図２に示すような形状のピストン基材を用意した。
　このピストン基材とねじで固定が可能なように、裏側に凸状部５ａとねじ穴５ｂを有するセラミックス製のピストンヘッド（基板５）を以下のように作製した。まず、コーディエライト粉末、分散剤、ゲル化剤、反応触媒、有機系分散媒からなるスラリーを調製した。このスラリーを型に室温で注型し、それを放置した後、４０℃で固化を進行させてから離型した。さらに、室温、次いで９０℃で放置して成形体を得た。これを１４３０℃で焼成して緻密質なコーディエライト製のピストンヘッド（基板５）を得た。
　次に、以下のようにして、ピストンヘッドの表面に断熱膜（表面緻密層２、断熱多孔質層３）を形成した。まず、コーディエライト粉末、造孔材としてのラテックス粒子、分散剤、バインダー、水からなるスラリー（断熱多孔質層３用）を作製し、これを前記のピストンヘッドの表面（上面）に塗布し、室温、ついで９０℃で乾燥させた。次に、コーディエライト粉末、分散剤、バインダー、水からなるスラリー（表面緻密層２用）を作製し、これを前記のピストンヘッドの表面（上面）に塗布し、室温、ついで９０℃で乾燥させた。これを、１３８０℃で焼成して、コーディエライト製ピストンヘッドの表面に断熱膜を成膜し、断熱部材１を得た。
　この断熱部材１をピストン基材とねじで接合するとともに、ピストンリング１４ｒも配置して、ピストン１４を得た。
（実施例２）
　実施例１と同様に、図２に示すような形状のピストン基材を用意した。
　実施例１と同様な形状のセラミックス製のピストンヘッド（基板５）を以下のように作製した。まず、ジルコニア粉末、分散剤、ゲル化剤、反応触媒、有機系分散媒からなるスラリーを調製した。このスラリーを型に室温で注型し、それを放置した後、４０℃で固化を進行させてから離型した。さらに、室温、次いで９０℃で放置して成形体を得た。これを１４００℃で焼成して緻密質なジルコニア製のピストンヘッド（基板５）を得た。
　次に、以下のようにして、ピストンヘッドの表面に断熱膜（表面緻密層２、断熱多孔質層３）を形成した。まず、ジルコニア粉末、造孔材としてのメラミン樹脂粒子、分散剤、バインダー、水からなるスラリー（断熱多孔質層３用）を作製し、これを前記のピストンヘッドの表面（上面）に塗布し、室温、ついで９０℃で乾燥させた。次に、ジルコニア粉末、分散剤、バインダー、水からなるスラリー（表面緻密層２用）を作製し、これを前記のピストンヘッドの表面（上面）に塗布し、室温、ついで９０℃で乾燥させた。これを、１４００℃で焼成して、ジルコニア製ピストンヘッドの表面に断熱膜を成膜し、断熱部材１を得た。
　この断熱部材１をピストン基材とねじで接合するとともに、ピストンリング１４ｒも配置して、ピストン１４を得た。
（比較例１）
　実施例１，２と同様であるが、断熱膜の成膜をしていないピストンヘッド（基板５のみ）を用いたピストン１４を比較例１とした。
（効果）
　実施例１，２、比較例１のそれぞれのピストン１４の表面（ピストンヘッドがある側）にガスバーナーの火を近づけ、ピストン１４の裏側（ねじ頭の近傍）の温度を測定したところ、実施例１，２の温度の方が比較例１の温度より低く、断熱膜があることで断熱性能が改善された。
　なお、コーディエライトの断熱多孔質をアルミニウムダイキャストで得たピストンヘッド表面に成膜できるか試みた。ところが、コーディエライトのスラリーを塗布して１３８０℃で焼成すると、ピストンヘッドと反応して成膜ができず、反応しない温度である５００℃で焼成しても膜を形成することができなかった。したがって、セラミックスにより形成された基板５がなければ、セラミックスにより形成された断熱膜（表面緻密層２、断熱多孔質層３）を形成することが難しかった。
　本発明のエンジン燃焼室構造は、自動車等のエンジンに適用することができる。
１：断熱部材、２：表面緻密層、３：断熱多孔質層、４：接合層、４ａ：第一接合層、４ｂ：第二接合層、５：基板、５ａ：凸状部、５ｂ：ねじ穴、８：ねじ、１０：エンジン、１１：シリンダブロック、１２：シリンダ、１３：シリンダヘッド、１３ｓ：底面、１４：ピストン、１４ｒ：ピストンリング、１４ｓ：（ピストンの）上面、１５：点火プラグ、１６：吸気バルブ、１６ｓ：バルブヘッド、１７：排気バルブ、１７ｓ：バルブヘッド、１８：吸気通路、１９：排気通路、２０：エンジン燃焼室、２１：エンジン構成部材。

Claims (18)

  1. 　セラミックスにより形成された基板と、
    　前記基板の表面に、セラミックスにより形成された断熱多孔質層と、
    　前記断熱多孔質層の表面に、セラミックスにより形成された表面緻密層と、を含み、
    　前記表面緻密層は、気孔率が５％以下であり、
    　前記断熱多孔質層は、前記表面緻密層の前記気孔率よりも気孔率が大きい、断熱部材。
  2. 　前記断熱多孔質層と前記基板は、同一または類似の組成のセラミックスにより形成されている請求項１に記載の断熱部材。
  3. 　前記断熱多孔質層は、ナノオーダーの大きさの気孔を有する請求項１または２に記載の断熱部材。
  4. 　前記表面緻密層は、波長１．５μｍにおける反射率が、０．５より大きい請求項１～３のいずれか１項に記載の断熱部材。
  5. 　前記表面緻密層は、波長２．５μｍにおける輻射率が０．５より大きい請求項１～４のいずれか１項に記載の断熱部材。
  6. 　前記表面緻密層は、厚さが２０μｍ以下である請求項１～５のいずれか１項に記載の断熱部材。
  7. 　前記断熱多孔質層は、熱伝導率が１Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下である請求項１～６のいずれか１項に記載の断熱部材。
  8. 　前記断熱多孔質層は、熱容量が２０００ｋＪ／（ｍ３・Ｋ）以下である請求項１～７のいずれか１項に記載の断熱部材。
  9. 　前記断熱多孔質層は、厚さが１０μｍ～１ｍｍである請求項１～８のいずれか１項に記載の断熱部材。
  10. 　前記基板は、厚さが１～３０ｍｍである請求項１～９のいずれか１項に記載の断熱部材。
  11. 　前記基板は、４点曲げ強度が２０ＭＰａ以上である請求項１～１０のいずれか１項に記載の断熱部材。
  12. 　前記断熱多孔質層と、前記表面緻密層との間に、第一接合層を有する請求項１～１１のいずれか１項に記載の断熱部材。
  13. 　前記基板と、前記断熱多孔質層との間に、第二接合層を有する請求項１～１２のいずれか１項に記載の断熱部材。
  14. 　請求項１～１３のいずれか１項に記載の断熱部材を、エンジン構成部材のエンジン燃焼室を構成する表面に備えるエンジン燃焼室構造。
  15. 　前記断熱部材を、ピストン、バルブヘッド、シリンダヘッドの少なくともいずれかの表面に備える請求項１４に記載のエンジン燃焼室構造。
  16. 　前記断熱部材を、前記エンジン構成部材の前記エンジン燃焼室を構成する表面に、機械的固定または化学的固定によって固定した請求項１４または１５に記載のエンジン燃焼室構造。
  17. 　前記機械的固定は、ねじ止め、または嵌め合わせである請求項１６に記載のエンジン燃焼室構造。
  18. 　前記化学的固定は、ろう接合である請求項１６に記載のエンジン燃焼室構造。
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