(57)【要約】【課題】液体と合う固体表面で流動によって発生する流動摩擦抵抗を減少させるために固体表面にマイクロ大きさの気泡を発生させる方法を提供する。【解決手段】微小孔形成段階及び疎水性処理段階を含む。前記微小孔形成段階は、固体表面に１〜１，０００μｍ大きさの孔が複数配置されるように孔を形成する。前記疎水性処理段階は、前記孔が形成された固体表面を疎水性物質でコートする。固体表面に複数の微小孔が形成され、疎水性処理されているので、前記固体表面が水中に入ると、微小孔でマイクロ気泡が発生する。本発明によれば、固体表面にマイクロ気泡を発生させることにより、気泡と液体の間で発生するすべりを用いて流動摩擦抵抗を減らす。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体表面に１〜１，０００μｍ大きさの孔を複数配置する微小孔形成段階と、
前記孔が形成された固体表面を疎水性物質でコートする疎水性処理段階と、を含むことを特徴とする、固体表面にマイクロ気泡を発生させる方法。
【請求項２】
固体表面に、加圧部に連通する１〜１，０００μｍの大きさの貫通孔を複数配置する微小孔形成段階と、
前記加圧部から前記複数の貫通孔に一定の空気圧を供給する空気圧提供段階と、を含むことを特徴とする、固体表面にマイクロ気泡を発生させる方法。
【請求項３】
前記微小孔形成段階の後、前記貫通孔が形成された固体表面を疎水性物質でコートする疎水性処理段階をさらに含むことを特徴とする、請求項２に記載の固体表面にマイクロ気泡を発生させる方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は固体表面にマイクロ気泡を発生させる方法に係り、より詳しくは液体と合う固体表面に流動によって発生する流動摩擦抵抗を減少させるために固体表面にマイクロ大の気泡を形成させる方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
直径がマイクロメータ（μｍ）の大きさを持つ気泡はその大きさによって多様な分野に使われている。例えば、大きさが１０〜４０μｍの気泡は生理活性、４０〜１００μｍの気泡は流体物理、そして５００〜１０００μｍの気泡は船舶抵抗減少などに使われている。
【０００３】
特に海洋運送手段において、流動摩擦抵抗の減少に関する研究は地球温暖化及び環境汚染に対処することができる次世代エネルギー節減高効率技術として認識されており、日本を追い抜いて世界１位に浮かび上がった韓国の造船海洋産業と国際競争力確保のために、アメリカ、ヨーロッパ及び日本のような技術先進国で核心技術として活発に研究されている。
【０００４】
流動によって流体と固体の間で発生する流動摩擦抵抗は船舶だけでなく、輸送機械、流体機械、及びチューブなどを利用する流体輸送において、エネルギー損失を最小化してエネルギー効率の向上及び流体騷音の減少などの付加的な効果をもたらす。
【０００５】
このような流動摩擦抵抗減少技術には、弾性被膜法（ｃｏｍｐｌｉａｎｔ ｗａｌｌ）、空気注入法（ａｉｒ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ）、リブレット（ｒｉｂｌｅｔ）及び高分子ポリマー注入法（ｐｌｏｙｍｅｒ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ）などが代表的に研究されており、この外にも電磁気または超音波を用いる固体表面振動技術などがある。
【０００６】
イルカが水泳に必要な単位重量の筋肉で発生する推進力を推正してみた結果、人または陸上の哺乳動物の約７倍の推進力を出していた。弾性被膜法はイルカの高速遊泳がイルカの皮膚組職にあるという考えより始まった。その後、クレーマー（Ｋｒａｍｅｒ）は、薄いゴム弾性被膜を使用してイルカの皮膚を模倣した人工皮膚を作り、細長体の表面に被せてから抵抗を計測したところ、最大６０％の抵抗減少が得られることを確認した。しかし、クレーマーの考えを受け継いだ研究では彼の考察を裏付ける結果が得られなかったので、この分野の研究は停滞しているという状況にある。
【０００７】
空気注入法は、摩擦抵抗を減らすために、マイクロ気泡を物体表面の近くに噴射する方法である。最近の研究結果によれば、噴射される気泡の量が増加するにつれて摩擦抵抗の減少量も大きくなり、最大８０％の抵抗減少がなされると報告され、非常に注目されている。
【０００８】
リブレットは流動の組織的な構造を変えることで摩擦抵抗の減少をはかる装置であって、壁面上に流れの方向に小孔を並んで形成したものである。孔の深さまたは幅が一定の大きさ以下に小さい場合に抵抗の減少に有効であるが、それより大きい場合はむしろ抵抗の増加が現れる。摩擦抵抗の減少量は最大８％になる。実際に航空機や船舶に適用するためには、孔の配置方法、表面汚損の影響などに関してより深い検討が必要である。特に、船舶の場合には、最適の孔の深さまたは幅は約０．１ｍｍ程度になり製作上の問題点と海洋微生物の付着などに対する防止対策が現在の技術では大変難しい状況である。
【０００９】
高分子ポリマー注入法は、高分子ポリマーを固体表面にコートすることで、界面活性効果による摩擦抵抗を減少させる方法である。高分子ポリマー溶液は数ｐｐｍ〜数百ｐｐｍの希薄濃度の水溶液で大きな摩擦抵抗の減少がなされると知られている。高分子ポリマー注入法は環境汚染問題及びポリマーの機能低下によって効果が急激に減少するという欠点がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
前記の流動摩擦抵抗減少技術のうち、今後実用化の可能性を高めるために、製作が簡単で制御が易しい空気注入法に対する研究が国内外で最も活発になされている。
【００１１】
アメリカの場合、流動摩擦抵抗減少技術を軍事技術として認識し、２０００年からＤＡＲＰＡでは５０％以上の摩擦抵抗減少を目標に体系的な支援とともに研究所及び関連大学で多様な技術に対する研究を進めているが、その結果は軍事機密として取り扱われており外部には公開されていない。
【００１２】
日本の場合、過去の造船強国として未来のブルーオーシャン市場の創出を目的として核心高付加価値技術を先占するために、大学、研究所及び産業体で研究費を集中的に投資して流動摩擦抵抗減少の技術を確保している。
【００１３】
韓国の場合、研究段階は初歩的な段階にあると評価され、リブレット及びポリマー付着などを適用して低速に対する基礎研究が韓国科学技術院及び浦項工科大で進んでおり、韓国海洋研究院及び現代重工業でマイクロ気泡噴射を用いる流動摩擦抵抗減少技術開発を始めた状態である。
【００１４】
空気噴射を用いる摩擦抵抗減少技術は、製作及び制御の容易性のためもっとも活発に研究されているが、プロペラに伝達された気泡による推進力の減少、浮力の不均衡分布による船舶の安全性問題、キャビテーション発生によるプロペラ浸食の増加、及び酸素を含有する気泡による表面腐食の問題が非常に深刻な状況である。
【００１５】
したがって、本発明は、空気噴射による推進力減少、キャビテーションによる浸食、空気噴射のための外部装置などのような複雑な問題を同時に解決するだけでなく、入水と同時に所望の位置に自由自在にマイクロ気泡を自然発生的に表面に形成させることができる固体表面にマイクロ気泡を発生させる方法を提供することをその目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
前記目的を達成するために、本発明の一面による固体表面にマイクロ気泡を発生させる方法は微小孔形成段階と疎水性処理段階とを含む。前記微小孔形成段階は、固体表面に１〜１，０００μｍ大きさの孔が複数配置されるように孔を形成する。前記疎水性処理段階は、前記孔が形成された固体表面を疎水性物質でコートする。固体表面に複数の微小孔が形成され、疎水性処理されているので、前記固体表面が水中に入水されれば、微小孔でマイクロ気泡が発生する。
【００１７】
本発明の他の面による固体表面にマイクロ気泡を発生させる方法は微小孔形成段階と空気圧提供段階とを含む。前記微小孔形成段階は、固体表面に、加圧部に連通する１〜１，０００μｍ大きさの貫通孔が複数配置されるように微小孔を形成する。前記空気圧提供段階は、前記加圧部から前記複数の貫通孔に一定の空気圧を供給する。
【００１８】
また、前記の固体表面にマイクロ気泡を発生させる方法は、前記微小孔形成段階の後、前記貫通孔が形成された固体表面を疎水性物質でコートする疎水性処理段階をさらに含むことができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、固体表面にマイクロ気泡を発生させることで、気泡と液体の間で発生するすべりを用いて流動摩擦抵抗を減らすことができる。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
図１は本発明の一面による固体表面にマイクロ気泡を発生させる方法の概念図、図２は図１に示す実施例を適用した固体表面の概念図、図３は図２に示す固体表面を水中に入水した状態の断面図である。
【００２１】
図１〜図３について、本発明の一面による固体表面にマイクロ気泡を発生させる方法の一実施例を説明する。
【００２２】
固体表面にマイクロ気泡を発生させる方法は微小孔形成段階（Ｓ１０）と、疎水性処理段階（Ｓ２０）とを含む。
【００２３】
微小孔形成段階（Ｓ１０）は、固体表面１０に１〜１，０００μｍの大きさを持つ孔が配列されるように、固体表面に孔１１を形成する段階である。孔１１の断面は四角形、三角形、台形及び円形などの多様な形状が可能である。
【００２４】
疎水性処理段階（Ｓ２０）は、孔１１が形成された固体表面１０を疎水性物質でコートする段階である。疎水性処理段階（Ｓ２０）によって固体表面１０には疎水性表面層１３が形成される。表面の疎水性処理は、化学薬品、ポリマー、金属などを使用して行うことができる。
【００２５】
前記固体表面１０を水２０に入れると、固体表面１０の孔１１から気泡１５が形成される。前記気泡１５は水２０との摩擦力を減少させる。
【００２６】
図４は本発明の他の面による固体表面にマイクロ気泡を発生させる方法の概念図、図５は図４に示す実施例を適用した固体表面の概念図、図６は図５に示す固体表面を水中に入水させた状態の断面図である。図４〜図６に基づいて、本発明の他の面による固体表面にマイクロ気泡を発生させる方法を説明する。
【００２７】
固体表面にマイクロ気泡を発生させる方法は、微小孔形成段階（Ｓ５０）と、疎水性処理段階（Ｓ６０）と、空気圧提供段階（Ｓ７０）とを含む。
【００２８】
微小孔形成段階（Ｓ５０）は、固体表面３０に加圧部３８まで連通する１〜１，０００μｍの大きさを持つ貫通孔３１が配列されるように、固体表面に貫通孔３１を形成する段階である。貫通孔３１は固体表面３１から加圧部３８まで連通され、その断面形状は四角形、三角形、台形及び円形などの多様な形状が可能である。
【００２９】
疎水性処理段階（Ｓ６０）は、貫通孔３１が形成された固体表面３０を疎水性物質でコートする段階である。疎水性処理段階（Ｓ６０）によって固体表面３０には疎水性表面層３３が形成される。
【００３０】
空気圧提供段階（Ｓ７０）は、加圧部３８から前記複数の貫通孔３１に一定の空気圧を供給する段階である。
【００３１】
前記固体表面３０を水４０に入水させれば、固体表面３０の貫通孔３１から気泡３５が形成される。図１に示す方法の場合、水圧が高いレベルまで固体表面１０が入水されれば、水圧によって気泡１５の大きさが減少し、気泡１５が孔１１の内部に挿入されるか、ひどい場合には破壊されることができる。この場合、気泡が流動摩擦抵抗を減少させることができないので、この方法は深く潜水する物体の流動摩擦抵抗を減らすのには適しない。しかし、図４に示す方法の場合、加圧部３８から一定圧力の空気圧が提供されるので、水圧が高くても気泡は破壊されなく維持できる。したがって、図４に示す方法は、深く潜水する物体の流動摩擦抵抗を減らすことにも適用可能である。
【００３２】
図７は本発明による固体表面にマイクロ気泡を発生させる方法の数値解釈の結果を示す。マイクロ気泡の表面付着を用いる流動摩擦抵抗減少の可能性を確認するために、自由表面（ＶＯＦ）の２次元数値解釈を実施した。チャネルの大きさにおいて、高さ５００μｍ、配列されたマイクロ気泡の直径が１００μｍの場合、入口流速１ｍ／ｓで必要な圧力を比較した結果、気泡が存在する場合、４０％以上の流動摩擦抵抗の減少が得られた。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
本発明は、流動摩擦抵抗減少技術への応用だけでなく、燃料電池の化学反応過程で発生する気体の除去、バイオ分野で気泡を用いる特定サンプルの輸送、そしてＩＴ分野の気泡を用いる光分配器などの多様な分野への応用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の一面による固体表面にマイクロ気泡を発生させる方法の概念図である。
【図２】図１に示す実施例を適用した固体表面の概念図である。
【図３】図２に示す固体表面を水中に入水させた状態の断面図である。
【図４】本発明の他の面による固体表面にマイクロ気泡を発生させる方法の概念図である。
【図５】図４に示す実施例を適用した固体表面の概念図である。
【図６】図５に示す固体表面を水中に入水させた状態の断面図である。
【図７】本発明による固体表面にマイクロ気泡を発生させる方法の数値解釈結果を示す図である。
【符号の説明】
【００３５】
１０    固体表面
１１    孔
１３    疎水性表面層
１５    気泡
２０    水
３０    気体表面
３１    貫通孔
３３    疎水性表面層
３５    気泡
３８    加圧
【図１】
2010155604.tif 000003
【図２】
2010155604.tif 000004
【図３】
2010155604.tif 000005
【図４】
2010155604.tif 000006
【図５】
2010155604.tif 000007
【図６】
2010155604.tif 000008
【図７】
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