(57)【要約】【課題】霜の付着を抑制し、着霜までの時間の長い撥水性部材、および耐着霜性を有する熱交換器を提供する。【解決手段】特定の微細加工を表面に有する基材を用いて、その少なくとも一部に撥水層を設ける。具体的には、複数の凸部および複数の凹部を交互に有し、前記凸部の上面には、最小の幅が３０μｍ以上１０００μｍ以下の平面部を有し、前記凹部の最小の幅は、３０μｍ以上１０００μｍ以下であり、前記凸部の高さは、３０μｍ以上１０００μｍ以下である基材を用いて、前記凸部の少なくとも一部に、撥水層を設ける。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材上に撥水層を有する撥水性部材であって、
前記基材は、表面に、複数の凸部および複数の凹部を交互に有し、
前記凸部の上面には、最小の幅が３０μｍ以上１０００μｍ以下の平面部を有し、
前記凹部の最小の幅は、３０μｍ以上１０００μｍ以下であり、
前記凸部の高さは、３０μｍ以上１０００μｍ以下であり、
前記撥水層は、前記凸部の少なくとも一部を被覆している、撥水性部材。
【請求項２】
前記凸部はリブ形状であり、前記凹部は線状の溝である、請求項１に記載の撥水性部材。
【請求項３】
前記凸部は島状であり、前記凹部は碁盤目状の溝である、請求項１に記載の撥水性部材。
【請求項４】
前記凸部の平面部の縁の角度は、７０度以上１２０度以下である、請求項１〜３いずれかに記載の撥水性部材。
【請求項５】
前記撥水層は、フッ素系コーティングまたはシリコーン系コーティングである、請求項１〜４いずれかに記載の撥水性部材。
【請求項６】
熱交換器用部材である、請求項１〜５いずれかに記載の撥水性部材。
【請求項７】
請求項１〜６いずれかに記載の撥水性部材を備える熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、撥水性部材、および当該撥水性部材を備える熱交換器に関する。さらに詳しくは、霜の付着を抑制できる撥水性部材、および耐着霜性を有する熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、寒冷地や冬場に、送電設備、通信設備、道路周辺設備等の各種の部材表面に、霜や氷が付着し、当該設備の機能を低下させる問題が発生している。自動車や車両等の輸送機等や建築物等においても、その窓ガラスに霜や氷が付着すると、透明性が失われて視界が悪くなる問題がある。
【０００３】
また、空気を熱源とするヒートポンプシステム等における熱交換器用のアルミニウム製フィンは、その表面に凝縮水が発生する場合があり、当該凝縮水が凍結して霜となるにつれて、熱交換効率が徐々に低下する問題があった。
【０００４】
これに対して、基材の表面に凹凸を形成し、当該凹凸に撥水膜をコーティングすることで、着霜を防止する技術が提案されている。例えば、特許文献１においては、アルミニウム基材に凹凸構造を有するアルマイト層を設け、当該アルマイト層上に炭化水素系撥水材料からなる撥水皮膜を設けた撥水性部材が提案されている。
【０００５】
また、特許文献２においては、基材上のパーフルオロポリエーテル構造およびシロキサン構造を含有する滑落撥水層を形成した、低温環境用部材が提案されている。
【０００６】
しかしながら、霜や氷の付着抑制は、高いレベルであるほど望ましく、さらなる防霜効果を有する部材が求められていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】国際公開第２０１７／１１０２００号パンフレット
【特許文献２】特開２０１７−１９３６６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は上記の背景技術に鑑みてなされたものであり、その目的は、霜の付着を抑制し、着霜までの時間の長い撥水性部材、および耐着霜性を有する熱交換器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者らは、撥水性を付与する基材の構造に着目し、鋭意検討を行った。その結果、特定の微細加工を表面に有する基材を用いて、その少なくとも一部に撥水層を設けることで、霜の付着を抑制し、着霜までの時間の長い撥水性部材が得られることを見出し、本発明を完成させるに至った。
【００１０】
すなわち本発明は、基材上に撥水層を有する撥水性部材であって、前記基材は、表面に、複数の凸部および複数の凹部を交互に有し、前記凸部の上面には、最小の幅が３０μｍ以上１０００μｍ以下の平面部を有し、前記凹部の最小の幅は、３０μｍ以上１０００μｍ以下であり、前記凸部の高さは、３０μｍ以上１０００μｍ以下であり、前記撥水層は、前記凸部の少なくとも一部を被覆している、撥水性部材である。
【００１１】
前記凸部はリブ形状であり、前記凹部は線状の溝であってもよい。
【００１２】
前記凸部は島状であり、前記凹部は碁盤目状の溝であってもよい。
【００１３】
前記凸部の平面部の縁の角度は、７０度以上１２０度以下であってもよい。
【００１４】
前記撥水層は、フッ素系コーティングまたはシリコーン系コーティングであってもよい。
【００１５】
上記の撥水性部材は、熱交換器用部材であってもよい。
【００１６】
また別の本発明は、上記の撥水性部材を備える熱交換器である。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の撥水性部材は、霜の付着を抑制し、着霜までの時間の長い撥水性部材となる。したがって、本発明の撥水性部材は、送電設備、通信設備、道路周辺設備等の各種の部材や、自動車や車両等の輸送機等や建築物等のガラス等に、好適に適用することができる。
【００１８】
また、本発明の撥水性部材を備える熱交換器は、耐着霜性を有する熱交換器となる。したがって、熱交換率を長期に亘って維持することが可能となり、エネルギーロスを抑制し、効率の高い熱交換器を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】平面部の縁の角度を説明する図である。
【図２】実施例および比較例の実験５分後における観察画像である。
【図３】実施例および比較例の実験２０分後における観察画像である。
【図４】実施例および比較例の実験４０分後における観察画像である。
【図５】実施例および比較例の実験１２０分後における観察画像である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の実施形態について説明する。
【００２１】
＜撥水性部材＞
本発明の撥水性部材は、表面に特定の微細加工を有する基材を有し、微細構造の少なくとも一部に、撥水層を有する構成である。
【００２２】
［基材］
本発明の撥水性部材の構成要素である基材は、表面に、複数の凸部および複数の凹部を交互に有する。霜の付着を抑制するためには、凸部および凹部は、空気に触れる表面に設けることが好ましい。例えば、フィンのような板状の構造物の場合には、その両面に設けることが好ましく、チューブのような中空の構造物の場合には、その外面に設ければよい。
【００２３】
（凹凸構造）
基材表面の凹凸構造のうち、凸部は、上面に平面部を有する。基材表面に着霜するときには、霜は凸部の上面の平面部にもっぱら付着し、かつ、平面部の法線方向に結晶を成長させる。
【００２４】
なお、凸部の上面が平面部を有さず、曲面で形成されている場合には、霜結晶は放射状に成長する。したがって、霜結晶を上方に向かって成長させるために、本発明においては、凸部の上面に平面部を有することが重要である。
【００２５】
霜結晶が形成されるメカニズムについては、推論も含めて説明すれば、まず、霜となる空気中の湿分が過冷却液滴となり、凸部の平面部に付着する。過冷却液滴は、凸部の表面で合体を繰り返しながら成長し、凸部の表面に一つの過冷却液滴を形成する。形成された液滴の過冷却状態が解除されると、液滴の内部で氷の結晶化が開始する。結晶化により形成された結晶の上に、次の過冷却液滴が付着すると、氷の結晶がエピタキシャル成長して、既存結晶の結晶構造を継承して新しい結晶を形成する。これにより結晶方向が揃った霜結晶が形成され、平面部の法線方向に向かって成長する。
【００２６】
なお、霜が凹部の溝に形成されない理由は、凸部の上面に過冷却液滴が付着することで空気が乾燥し、凹部の内部には湿分がほとんど到達しないためと考えられる。
【００２７】
基材表面の凸部の上面の平面部は、最小の幅が３０μｍ以上１０００μｍ以下である。ここで、凸部の平面部の最小の幅とは、凸部の上面における平面において、最小となる長さを意味する。例えば、凸部がリブ形状の場合には、凸部の上面に存在する平面部の最小の幅は、長手方向の幅（リブの長さ）ではなく、短手方向の幅となる。
【００２８】
凸部の上面に存在する平面部の最小の幅は、５０μｍ以上７５０μｍ以下であることが好ましく、１００μｍ以上５００μｍ以下であることが特に好ましい。
【００２９】
本発明において、凸部の上面に存在する平面部の最小の幅が、凸部の表面に形成される過冷却液滴の大きさよりも狭くなると、液滴は球状に付着し、放射状に結晶が成長してしまう。凸部の上面に存在する平面部の最小の幅が、３０μｍ以上であれば、平面部の法線方向に結晶を成長させるに十分な幅となる。
【００３０】
一方で、平面部の最小の幅が１０００μｍより大きい場合には、結晶の成長方向は法線方向になるものの、平面部と霜結晶との接合面積が大きくなり、結晶の根元の幅が太くなる。このため、長期使用等によって霜結晶が大きく成長してしまった場合に、当該霜結晶の機械的強度が増してしまい、機械的に除去することが困難となる。
【００３１】
凹凸の形状は、特に限定されるものではないが、凸部はリブ形状であり、凹部は線状の溝であることが好ましい。凸部がリブ形状である場合には、霜結晶は、凸部の高さを高くするように、リブ形状の薄板が配列した構造に成長する。凸部をリブ形状とし、凹部を線状の溝とする形態は、加工がしやすいため生産効率が高くなり、大量生産する場合に有利となる。
【００３２】
あるいは、凹凸構造の形状は、凸部は島状であり、凹部は碁盤目状の溝であることが好ましい。例えば、凸部が島状に点在した四角柱の場合には、霜結晶は、凸部の四角柱の高さを高くするように法線方向に成長し、その結果、基材表面は、細い柱が縦横に配列した構造となる。凸部を島状とし、凹部を碁盤目状の溝とする形態は、凸部に生成する水滴が独立に存在し、周囲に生成する結露水と結合しないため、水滴のサイズが比較的小さい状態で成長する。このため、凍結までの時間をより長期化することができる。
【００３３】
基材表面の凹部の最小の幅は、３０μｍ以上１０００μｍ以下である。ここで、本発明における凹部とは、凸部同士の間に形成される溝であるため、凹部の最小の幅とは、隣あった凸部同士の根元の間隔の中で、最も短い長さを意味する。例えば、凸部がリブ形状の場合には、凹部の最小の幅とは、凸部および凹部の長手方向の幅（リブまたは溝の長さ）ではなく、短手方向の幅を意味する。
【００３４】
凹部の最小の幅は、５０μｍ以上５００μｍ以下であることが好ましく、１００μｍ以上２５０μｍ以下であることが特に好ましい。
【００３５】
凹部の幅が３０μｍ未満の場合には、凹部の中への着霜は生じないが、霜結晶の薄板は結晶成長に伴って幅が大きくなっていくため、隣接する霜の薄板同士が早期に相互に結合し、堅牢な構造を形成してしまう。一方で、凹部の幅が１０００μｍより大きくなると、凹部の内部に湿分が到達する可能性が高まり、凹凸を形成している意義が失われてしまう。
【００３６】
基材表面の凸部の高さは、３０μｍ以上１０００μｍ以下である。凹部は熱伝達への寄与が少なく、霜結晶の分断に主な役割を果たす。凹部の深さ、すなわち凸部の高さが３０μｍ以上であれば、凸部の上面の平面部の上に霜結晶が形成される。なお凹部の深さ（凸部の高さ）の上限である１０００μｍについては、熱的な制限はほとんどなく、凹部を形成するための加工技術上の制限によって決定した。
【００３７】
基材表面の凸部の平面部の縁の角度は、７０度以上１２０度以下であることが好ましい。図１を用いて、凸部の平面部の縁の角度について説明する。図１（ａ）は、凸部１の平面部１ａの縁の角度βを、ほぼ直角（９０度）に形成した態様である。図１（ｂ）は、角度βを、９０度よりも鋭角に形成した態様例であり、エッチングによって凹部２を形成する場合に形成されやすい形状である。図１（ｃ）は、角度βを、９０度よりも鈍角に形成した態様あり、切削加工によって凹部２を形成する場合に形成されやすい形状である。
【００３８】
図１（ｂ）に示すように、凸部１の平面部１ａの縁の角度βが９０度より小さくなる場合には、凹部２の中の間隙が大きくなる。すると空気が断熱層の作用を有するようになり、熱伝達を阻害する。このため、角度βは７０度以上であることが好ましい。一方で、図１（ｃ）に示すように、側面を次第に傾斜させていき、角度βが１２０度以上になると、顕著に着霜してしまう。このため、凸部の平面部の縁の角度は、７０度以上１２０度以下であることが好ましい。
【００３９】
（材料）
本発明の撥水性部材を構成する基材の材料は、上記した凹凸構造を形成できるものであれば、特に限定されるものではない。ガラス等の無機材料、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂等の樹脂材料、有機−無機複合材料、金属材料等、あらゆる材料を用いることができる。なかでも、本発明の撥水性部材を、熱交換器用の部材として用いる場合には、銅やアルミニウムなどの熱伝導率の高い金属によって、基材を形成することが好ましい。
【００４０】
（凹凸形成方法）
基材に凹凸を形成する方法としては、特に限定されるものではないが、例えば、放電加工やサンドブラスト、切削、エッチング等が挙げられる。また、型を用いて転写することで、形成することもできる。あるいは、凹凸形状が形成された樹脂フィルムを貼付したり、表面に樹脂皮膜を形成した後に、フォトレジスト等によって凹凸形状を形成してもよい。
【００４１】
［撥水層］
本発明の撥水性部材における撥水層は、基材表面の凸部の少なくとも一部を被覆している。基材表面には、複数の凸部および複数の凹部が交互に形成されているが、本発明においては、少なくとも一部の凸部において、少なくとも凸部の上面の平面部に、撥水層が形成されていればよい。したがって、全ての凸部において、凸部の上面のみならず側面に、さらには、凹部にも、撥水層は存在していてもよい。
【００４２】
基材表面で霜結晶が形成されるメカニズムは、上記の通り、霜となる空気中の湿分が過冷却液滴となって凸部の平面部に付着し、凸部の表面で合体を繰り返しながら成長した後に、液滴の過冷却状態が解除されて液滴の内部で氷の結晶化が開始され、氷の結晶を成長させることで、霜結晶が成長する。
【００４３】
すなわち、霜結晶の成長の拠点となる場所は、凸部の上面の平面部である。本発明においては、少なくとも一部の凸部において、少なくとも凸部の上面の平面部に、撥水層を備えさせることで、冷却面表面のぬれ性をコントロールし、過冷却状態の解消に至るまでの時間を増大させることが可能となる。
【００４４】
（材料）
撥水層の材料は、特に限定されるものではなく、水接触角が約９０°以上となる平滑表面を作製できる材料であればよい。このような材料としては、例えば、フッ素系コーティング剤、またはシリコーンコーティング剤等を挙げることができる。市販の製品を適用することもでき、フッ素系コーティング剤であれば、エスエフコート  ＳＮＦ−ＤＰ２０Ｈ（ＡＧＣセイミケミカル株式会社製）、エスエフコート  ＳＦＥ−ＤＰ０２Ｈ（ＡＧＣセイミケミカル株式会社製）等が挙げられ、シリコーンコーティング剤であれば、ＫＲ−４００Ｆ（信越化学社製）等が挙げられる。
【００４５】
（厚み）
また、撥水層の厚みについても、特に限定されるものではなく、凸部の上面の平面部のぬれ性に影響を及ぼすことができる厚みであればよい。その厚みとしては、例えば、０．０１〜１００μｍが挙げられる。撥水層が０．０１μｍ以上の厚みとなっていれば、凸部の上面の平面部の濡れ性をコントロールすることができる。一方で、凹凸構造との兼ねあいから現実的に塗装が可能となるのは、１００μｍ以下の厚みとなる。
【００４６】
（撥水層の形成方法）
本発明の撥水性部材において、基材表面の凸部の少なくとも一部に撥水層を形成する方法としては、特に限定されるものではなく、公知の方法を適用することができる。例えば、表面に凹凸構造を有する基材を浸漬塗布する方法、処理剤を基材に滴下してスピンコート法にて塗布する方法、凸部の一部をマスキングした後にスプレー塗装する方法、平板にロールコーター等で処理剤を塗布して撥水層を形成した後に、凹凸構造を加工する方法等が挙げられる。
【００４７】
［用途］
本発明の撥水性部材は、着霜が問題となる寒冷地等の各種設備等の部材として、好適に用いることができる。例えば、冷凍設備、送電設備、通信設備、道路周辺設備等の部材、あるいは、自動車や車両等の輸送機等や建築物等のガラス等に、好適に適用することができる。
【００４８】
また、空気を熱源とするヒートポンプシステム等や、輸送用機器等に使用される熱交換器の部材等、その表面に霜が形成される機器や装置の部材として、好適に適用することができる。
【００４９】
＜熱交換器＞
本発明の熱交換器は、上記の本発明の撥水性部材を備える。本発明の撥水性部材を備えていれば、その他の構成は特に限定されるものではなく、各種熱交換器の仕様をそのまま適用することができる。
【実施例】
【００５０】
次に、本発明の実施例について説明するが、本発明はこれら実施例等に限定されるものではない。
【００５１】
＜実施例１＞
［凹凸構造を有する基材の製造］
縦５０ｍｍ、横５０ｍｍ、厚み１ｍｍの無酸素銅製の矩形板に、放電加工（ワイヤー径：０．２ｍｍ）によって、凸部は島状に点在した四角柱であり、凹部は碁盤目状の溝となる凹凸構造を形成した。形成した凹凸構造のサイズは、凸部の幅が２５０μｍ、凹部の幅が２５０μｍ、凸部の高さが５００μｍであった。また、凸部の上面は平面となっており、凸部の形状は四角柱であることから、最小の幅は２５０μｍであった。
【００５２】
［撥水層の形成］
基材の凹凸構造を有する面に対して、５分間の紫外線洗浄（１７２ｎｍ、１０ｍＷ／Ｃｍ２）を実施した後、撥水処理剤となるエスエフコート  ＳＮＦ−ＤＰ２０Ｈ（ＡＧＣセイミケミカル株式会社製）を基材表面に滴下し、スピンコーター（回転数：１５００ｒｐｍ）を用いて１０秒間のコートを実施して余分な液を除いた後に、１２０℃１０分間の焼付けを実施した。
【００５３】
［表面の水接触角評価］
得られた撥水層の表面について、純水液滴の静置接触角を測定した。接触角θｓ＝１０５°であった。
【００５４】
［着霜観察］
デジタルマイクロスコープ（ＫＥＹＥＮＣＥ社製、ＶＨＸ−２０００）と解析ソフトを用いて、クイック深度合成した観察画像を撮影するとともに、得られた画像を３Ｄ合成することで、経過時間ごとの基材表面の状態を観察した。なお、実験条件は以下とし、５分後、２０分後、４０分後、１２０分後に、観察を行った。
【００５５】
（実験条件）
・空気温度：２５℃
・空気湿度：０．００９９ｋｇ／ｋｇ’
・冷却面表面温度：−１５℃
・冷却面姿勢：０℃（水平上向き平面）
【００５６】
図２（ａ）に、５分後のクイック深度合成した観察画像、図３（ａ）に、２０分後のクイック深度合成した観察画像、図４（ａ）に、４０分後のクイック深度合成した観察画像、図５（ａ１）に、１２０分後のクイック深度合成した観察画像、図５（ａ２）に、１２０分後の３Ｄ合成画像を示す。
【００５７】
図２（ａ）および図３（ａ）に示されるように、実験開始５分後および２０分後は、液滴の付着は観察されなかった。図４（ａ）に示されるように、実験開始４０分後には、凸部の上面の平面部に液滴の付着が観察された。図５（ａ１）に示されるように、実験開始１２０分後には、凸部の上面の平面部に着霜していた。しかしながら、図５（ａ２）の３Ｄ合成画像に示されるように、霜層の厚みは薄いものであった。
【００５８】
＜比較例１＞
［凹凸構造を有する基材の製造］
実施例１と同様に、凹凸構造を有する基材の製造を行った。
【００５９】
［表面の水接触角評価］
得られた未処理の基材表面について、純水液滴の静置接触角を測定した。接触角θｓ＝６２°であった。
【００６０】
［着霜観察］
実施例１と同様にして、未処理の基材の着霜観察を実施した。図２（ｂ）に、５分後のクイック深度合成した観察画像、図３（ｂ）に、２０分後のクイック深度合成した観察画像、図４（ｂ）に、４０分後のクイック深度合成した観察画像、図５（ｂ１）に、１２０分後のクイック深度合成した観察画像、図５（ｂ２）に、１２０分後の３Ｄ合成画像を示す。
【００６１】
図２（ｂ）に示されるように、実験開始５分後は、液滴の付着は観察されなかった。図３（ｂ）、図４（ｂ）、図５（ｂ１）に示されるように、実験開始２０分後には、凸部の上面の平面部に霜結晶が形成され、時間の経過とともに結晶が成長して、結晶同士が接触するブリッジングの発生が確認できた。また、図５（ｂ２）の３Ｄ合成画像に示されるように、霜層の厚みは厚く、不均一な状態であった。
【００６２】
＜比較例２＞
［凹凸構造を有する基材の製造］
実施例１と同様に、凹凸構造を有する基材の製造を行った。
【００６３】
［親水層の形成］
基材の凹凸構造を有する面に対して、５分間の紫外線洗浄（１７２ｎｍ、１０ｍＷ／Ｃｍ２）を実施した後、親水処理剤となるサーフアルコート９３４０（日本ペイント・サーフケミカルズ社製）を基材表面に滴下し、スピンコーター（回転数：１５００ｒｐｍ）を用いて１０秒間のコートを実施して余分な液を除いた後に、１７０℃１５分間の焼付けを実施した。
【００６４】
［表面の水接触角評価］
得られた親水層の表面について、純水液滴の静置接触角を測定した。接触角θｓ≦３０°であった。
【００６５】
［着霜観察］
実施例１と同様にして、親水層を有する基材の着霜観察を実施した。図２（ｃ）に、５分後のクイック深度合成した観察画像、図３（ｃ）に、２０分後のクイック深度合成した観察画像、図４（ｃ）に、４０分後のクイック深度合成した観察画像、図５（ｃ１）に、１２０分後のクイック深度合成した観察画像、図５（ｃ２）に、１２０分後の３Ｄ合成画像を示す。
【００６６】
図２（ｃ）に示されるように、実験開始５分後は、液滴の付着は観察されなかった。図３（ｃ）、図４（ｃ）、図５（ｃ１）に示されるように、実験開始２０分後には、凸部の上面の平面部に霜結晶が形成され、時間の経過とともに結晶が成長して、結晶同士が接触するブリッジングの発生が確認できた。また、図５（ｃ２）の３Ｄ合成画像に示されるように、霜層の厚みは厚い状態であった。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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