(57)【要約】      （修正有）【課題】滴状液体の凝縮が促進されるハイブリッド表面から成る製品。【解決手段】製品は、複数の隆起構造３０２から成る配列３００を有する。複数の隆起構造３０２は少なくとも１つの幾何学形状を有する。また、複数の隆起構造３０２は疎水性表面３０５を有する。更に、この製品の複数の隆起構造３０２の間には、複数の親水性孔３０４が散在している。また、滴状液体３０６、３０９の凝縮が促進されるハイブリッド表面を形成する方法を開示する。更にまた、滴状液体３０６，３０９の凝縮が促進されるハイブリッド表面から成る熱伝達装置。【選択図】図３
2010094673.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
滴状液体の凝縮が促進されるハイブリッド表面を有する製品であって、
前記ハイブリッド表面が、
少なくとも１つの幾何学形状を有し、且つ、疎水性表面を有する複数の隆起構造から成る配列と、
前記複数の隆起構造の間に散在し、複数のマイクロキャピラリーである複数の親水性孔と、
前記配列に結合する固着構造とから成る製品。
【請求項２】
前記複数の隆起構造が、約１００ｎｍ〜約１０ｍｍの中央間隔を有する、請求項１に記載の製品。
【請求項３】
前記複数の隆起構造の各々が、約１０ｎｍ〜約１ｍｍの中央幅を有する、請求項１または２に記載の製品。
【請求項４】
前記複数の隆起構造において、中央高さ／前記中央幅の比率が約０．１〜約１０である、請求項３に記載の製品。
【請求項５】
前記複数のマイクロキャピラリーが、約１０ｎｍ〜約１ｍｍの中央半径を有する、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の製品。
【請求項６】
前記複数の隆起構造の遠位端が前記疎水性表面である、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の製品。
【請求項７】
水に対する前記疎水性表面の接触角が約７０度を上回る、請求項６に記載の製品。
【請求項８】
水に対する前記疎水性表面の接触角が約１２０度を上回る、請求項７に記載の製品。
【請求項９】
前記ハイブリッド表面上の凝縮液滴の移行が、前記疎水性表面から前記複数のマイクロキャピラリーへの移動に相当し、
前記移動が、毛管力の影響を受ける運動であり、且つ、前記複数のマイクロキャピラリー内の運動であり、且つ、前記凝縮液滴を前記ハイブリッド表面から除去するステップに相当する、請求項７又は８に記載の製品。
【請求項１０】
請求項９に記載のハイブリッド表面を有する熱伝達装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、滴状液体の凝縮が促進される表面に関する。
【背景技術】
【０００２】
蒸発した液相の凝縮は、効果的な熱伝達方法のひとつである。例えば、或る液体蒸発過程では、熱源が液体に熱を与え、その後、液体に十分な熱が伝達され気相に入ると、蒸発に影響を及ぼす。液体への熱伝達により、熱源温度が低下する。その後、蒸気は冷却面上で凝縮し液体になり、凝縮した液体は、蒸発過程において、先に得た熱を放出する。基本的に、蒸気の飽和温度よりも低温の冷却面と蒸気とが接触すると、凝縮が生じる。冷却面の温度は、凝縮過程において上昇する。冷却面は、熱伝導によりシステムから伝達された熱を奪うものであり、表面冷却には、空冷、水冷、冷凍等の方法がある。従って、液体の蒸発は、熱源からヒートシンクへの熱の伝達を伴う。この種の凝縮器システムは、発電所、化学処理施設、脱塩プラント、及び冷凍システムにおいて広く用いられている。
【０００３】
液体が冷却面上で凝縮する主なメカニズムが２つある。１つ目のメカニズムは、液体が冷却面をコーティングする膜として凝縮するものである。２つ目のメカニズムは、液体が表面を覆う一定の液滴状に凝縮するものである。基本的に、液膜は蒸気と冷却面の間の熱伝導率を低下させるので、冷却面の熱伝達容量は膜状凝縮によって減少する。液膜が厚くなるほど、熱伝導率が低下する。また、液膜が厚くなるほど、表面から液体が発散する。一方、滴状凝縮では、蒸気と冷却面との間に膜が介在しないので、基本的に、膜状凝縮よりも熱伝導率が高くなる。
【０００４】
微細なテクスチャ表面上に存在する凝縮した液体の液滴は、多数の平衡状態のうちのいずれかで存在し得る。「カシー（Ｃａｓｓｉｅ）」状態では、多数の空気ポケットが液滴の下に閉じ込められる。「ウェンゼル（Ｗｅｎｚｅｌ）」状態では、液滴が、「カシー」状態において閉じ込められた空気を収容する空隙を埋めて、その下の全表面を濡らす。この両極の間には、多数の平衡状態が存在する。本明細書において、「非ウェンゼル」状態とは、「カシー」状態だけでなくこれらの中間状態も意味する。表面と液滴が相互作用するときのエネルギは、表面上に存在する液滴の状態によって定まる。また、表面相互作用エネルギにより、液滴が極めて簡単に表面から発散される。凝縮した液滴は、重力又は空気力によって冷却面から発散される。液滴を冷却面に固定する表面相互作用力が重力、空気力等を上回る場合、液滴は簡単には発散されないので、冷却効率が低下する可能性がある。液滴発散過程において、冷却面上に新たな核生成サイトが形成され、更なる滴状凝縮が可能になる。滴状凝縮は不安定な過程であるので、結局、膜状凝縮に取って代わられることもある。滴状凝縮は、蒸発した液体の冷却面の湿潤性を低下させることによって促進される。例えば、表面を形成する際に添加剤を含ませる、或いは、ポリマー薄膜等のコーティングで冷却面を覆う等の方法によって、冷却面を改良し、湿潤性を低下させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００７／００２８５８８号
【特許文献２】米国特許出願公開第２００７／００３１６３９号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
以上に鑑み、滴状凝縮、及び一般的に滴状凝縮が難しい条件において液滴発散が促進される熱伝達表面を開発することが有益であろう。この条件には、熱伝達面の作用中にかかる重力、空気力、又は使用応力が含まれる。液滴の発散に関して重力又は空気力に依存していない熱伝達面は、この点において有利である。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の例示的実施形態において、滴状液体の凝縮が促進されるハイブリッド表面から成る製品を開示する。このハイブリッド表面は、少なくとも１つの幾何学形状及び疎水性表面を有する複数の隆起構造から成る配列を有する。また、ハイブリッド表面の複数の隆起構造の間には、複数の親水性孔が散在している。
【０００８】
本発明の別の実施形態において、滴状液体の凝縮が促進されるハイブリッド表面を形成する方法を開示する。この方法は、固着構造を形成するステップと、複数の隆起構造から成る配列を用意するステップと、複数の隆起構造の間に複数の親水性孔を散在させるステップとから成る。複数の隆起構造は、少なくとも１つの幾何学形状を有しており、固着構造と結合する。複数の隆起構造の遠位端は、疎水性表面である。
【０００９】
本発明のまた別の実施形態において、滴状液体の凝縮が促進されるハイブリッド表面から成る熱伝達装置を開示する。この熱伝達装置は、固着構造と、複数の隆起構造から成る配列と、複数の隆起構造の間に散在する複数の親水性孔とから成る。複数の隆起構造は、少なくとも１つの幾何学形状を有しており、固着構造と結合する。複数の隆起構造の遠位端は、疎水性表面である。複数の親水性孔は、複数のマイクロキャピラリーである。熱伝達装置を構成するハイブリッド表面は、高い熱伝導性を有する少なくとも１つの物質から成る。
【００１０】
ここまで、以下の詳細な説明の理解を助けるよう、本発明の特徴を概説した。添付の特許請求の範囲に含まれる本発明の更なる特徴及び利点を以下に説明する。
【００１１】
添付の図面に関連する以下の説明により、本発明とその利点をより明確に理解できよう。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】液滴と表面との接触角の例示的実施形態を示す図である。
【図２】本発明の例示的実施形態によるハイブリッド表面の上面図である。
【図３】本発明の例示的実施形態によるハイブリッド表面の側面図である。
【図４】本発明の例示的実施形態による疎水性表面上における水の滴状凝縮前後それぞれのＳＥＭ（走査型電子顕微鏡画像）である。
【図５】本発明の例示的実施形態によるハイブリッド表面を用いて作製したヒートパイプである。
【図６】本発明の例示的実施形態による、ハイブリッド表面における水滴の堆積、成長、及び除去の過程である。
【図７】本発明の例示的実施形態による、ハイブリッド表面における水滴の堆積、成長、及び除去の過程である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明が開示する実施形態を明確に理解できるよう、特定の量、寸法等のような具体値を用いて説明する。しかし、当業者には明らかなように、本発明の実施には、必ずしもかかる具体値を適用しなくてもよい。そのような具体値は、当業者に周知の技術内容であり、本発明をどれだけ明確に理解できるかにあまり関係ないので、それらに関する説明を割愛した。
【００１４】
全図面を通して、これらは本発明の例示的実施形態を説明するためのものであり、本発明を限定するものではないことを理解されたい。図面は、必ずしも縮尺通りに描かれていない。
【００１５】
本明細書での用語の多くは、当業者には明らかなものであるが、本発明の理解を助けるために、以下の定義を行う。しかし、明確に定義しない場合には、用語は当業者によって現在容認されている意味で用いられていると理解されたい。
【００１６】
本明細書において、「毛管力」とは、それによって構造がその内部に液体を吸引し、構造内でその液体を移動させるための手段を意味する。本発明の一実施形態では、毛管力によりマイクロキャピラリー内で液体が移動する。毛管力の影響による移動は、「ウィッキング（ｗｉｃｋｉｎｇ）」とも称される。キャピラリー内で液体が移動する過程は、毛管作用と称される。
【００１７】
本明細書において、「接触角」とは、液体による表面の湿潤性の尺度を意味する。図１のように、接触角は、表面１００と液滴１０１との接触点に形成される、表面１００と接線１１０との間の角度θ１０２として定義される。接触角が小さい場合、液体による表面湿潤性が高くなる。接触角が大きい場合、液体による表面湿潤性が低くなる。図１では、接触角は左から右へ進むにつれて漸増しており、表面の濡れが次第に少なくなる。親水性表面は、水滴との接触角が小さいことを意味する。疎水性表面は、水滴との接触角が大きいことを意味する。
【００１８】
本明細書において、「遠位」とは、或る物体又は表面が、別の物体又は表面への接着点から離れて、又は接着点とは逆に位置することを意味する。
【００１９】
本明細書において、「ハイブリッド表面」とは、異なる物理的性質を有する少なくとも２つの画定可能な領域から成る表面を意味する。一実施形態において、ハイブリッド表面は、疎水性表面と複数の親水性孔とを有する。
【００２０】
本明細書において、「親水性」とは、水又は極性液体に対して親和性が高いことを意味する。一実施形態において、親水性物質は、水による湿潤性が高い。
【００２１】
本明細書において、「疎水性」とは、水又は極性液体に対して親和性が低いこと、非極性液体に対して親和性が高いことを意味する。
【００２２】
本明細書において、「疎水性ハードコーティング」とは、金属よりも高い硬度と、水に対する少なくとも約７０度の接触角とを有するコーティングの種類である。疎水性ハードコーティングとしては、これらに限定されないが、例えば窒化物及び炭化物が挙げられる。
【００２３】
本明細書において、「疎水性物質」とは、水による湿潤性が低い物質である。
【００２４】
本明細書において、「傾斜」とは、略平面と交差する縦軸と垂直ではない略平面である。
【００２５】
本明細書において、「近位」は、或る物体又は表面が、別の物体又は表面との接着点の隣に位置することを意味する。
【００２６】
本明細書において、「略平面」とは、微視的に滑らかな平面から成る表面を意味する。略平面は、微視的レベルでテクスチャ加工される。略平面は、略平面と交差する縦軸と垂直であっても、垂直でなくてもよい。
【００２７】
本明細書において、「加工液」とは、ヒートパイプ内の熱媒液である。加工液は、蒸発すると、ヒートパイプ内の冷却面上で凝縮する。この凝縮過程において、冷却面に熱が伝達される。
【００２８】
以下に記載のいずれの実施形態においても、疎水性物質とは、水による湿潤性が低い物質を指すことを理解されたい。疎水性物質の特性は、以下に記載のいずれの実施形態においても、水滴と表面とがなす接触角に基づく。以下に開示の実施形態における疎水性物質には、水に対して約７０度を上回る接触角を有するものも、水に対して約７０度〜約９０度の接触角及びその全範囲にわたる接触角を有するものもある。以下に開示のまた別の実施形態において、疎水性物質には、水に対して約９０度〜約１２０度の接触角及びその全範囲にわたる接触角を有するものも、水に対して約１２０度を上回る接触角を有するものもある。約１２０度を上回る接触角を有する疎水性物質は、超疎水性物質と称される。
【００２９】
以下に開示の例示的実施形態は、固着構造を有する。以下に開示のいずれの実施形態においても、固着構造は、平面状又は三次元形状であることを理解されたい。固着構造は、平面であってよい。また、固着構造は、凹面又は凸面等の三次元形状であってもよい。以下に開示の固着構造のいずれの実施形態も、隆起、谷、窪み、鋸歯、こぶ、模様、及びそれらの組み合わせを含むがこれらに限定されないテクスチャを特徴として備えている。以下の実施形態において、固着構造の構成に好適な材料としては、ガラス、ダイヤモンド、セラミック、金属、及び半金属を含むがこれらに限定されない群から選択された少なくとも１つの材料が挙げられる。本明細書において、金属という用語は、元素金属、合金、金属間化合物、及びアルミナイド等の金属から成るその他の同様の組成物も意味することを理解されたい。以下の実施形態において、固着構造を構成するための例示的な金属は、鉄、ニッケル、コバルト、クロム、アルミニウム、銅、チタン、白金、金、銀、及びそれらの合金を含むがこれらに限定されるものではない群から選択される少なくとも１つの金属である。以下の実施形態において、固着構造を構成する例示的なセラミックは、窒化物又は炭化物である。以下の一実施形態では、セラミックは、窒化アルミニウム及び炭化ケイ素を含むがこれらに限定されない群から選択された少なくとも１つのセラミックである。固着構造を構成する半金属としては、例えば、一実施形態において元素シリコンが挙げられる。
【００３０】
以下に開示の一実施形態は、少なくとも１つの幾何学形状を有する複数の隆起構造を有する。以下に開示のいずれの実施形態にも関連する隆起構造は、円筒状、角柱状、球状、半球状、角錐状、又はそれらの任意の組み合わせであってよいことを理解されたい。隆起構造は、非テーパ状であっても、テーパ状であってもよい。更に、隆起構造は、隆起構造の少なくとも一端となる少なくとも１つの幾何学形状を有するものとして説明される。隆起構造を構成する幾何学形状としては、円形、長円形、三角形、正方形、長方形、平行四辺形、菱形、台形、斜方形、五角形、六角形、七角形、八角形、九角形、十角形、及び多角形を含むがこれらに限定されない群から選択された少なくとも１つの形状が挙げられる。そのような幾何学形状は、規則的であっても、不規則的であってもよい。非多角形形状もまた、隆起構造を構成する幾何学形状である。以下の一実施形態では、隆起構造の少なくとも一端が、凸面又は略平面を形成するように改良される。以下のいずれの実施形態においても、隆起構造の構成に好適な材料としては、ガラス、ダイヤモンド、セラミック、金属、及び半金属を含むがこれらに限定されない群から選択された少なくとも１つの材料が挙げられる。本明細書において、金属という用語は、元素金属、合金、金属間化合物、及びアルミナイド等の金属から成るその他の同様の組成物も意味することを理解されたい。以下のいずれの実施形態においても、隆起構造を構成する金属として、例えば、鉄、ニッケル、コバルト、クロム、アルミニウム、銅、チタン、白金、金、銀、及びそれらの合金を含むがこれらに限定されない群から選択された少なくとも１つの金属が挙げられる。以下のいずれの実施形態においても、隆起構造を構成するセラミックとしては、例えば、窒化物又は炭化物が挙げられる。以下の一実施形態において、セラミックは、窒化アルミニウム及び炭化ケイ素を含むがこれらに限定されない群から選択された少なくとも１つのセラミックである。隆起構造を構成する半金属としては、例えば、一実施形態における元素シリコンが挙げられる。
【００３１】
以下に開示の一実施形態は、高い熱伝導性を有する物質に関する。以下に開示のいずれの実施形態においても、高い熱伝導性を有する物質として、金属、ガラス、ダイヤモンド、セラミック、及び半金属を含むがこれらに限定されない群から選択された少なくとも１つの物質が挙げられることを理解されたい。本明細書において、金属という用語は、元素金属、合金、金属間化合物、及びアルミナイド等の金属から成るその他の同様の組成物も意味することを理解されたい。以下に記載の実施形態では、高い熱伝導性を有する金属は、鉄、ニッケル、コバルト、クロム、アルミニウム、銅、チタン、白金、金、銀、及びそれらの合金を含むがこれらに限定されない群から選択された少なくとも１つの金属である。以下に記載の実施形態では、高い熱伝導性を有するセラミックは窒化物又は炭化物である。以下の一実施形態において、セラミックは、窒化アルミニウム及び炭化ケイ素を含むがこれらに限定されない群から選択された少なくとも１つのセラミックである。高い熱伝導性を有する半金属としては、例えば、一実施形態における元素シリコンが挙げられる。
【００３２】
以下に開示の特定の実施形態は、疎水性表面に関する。疎水性表面は、本質的に疎水性であっても、疎水性を与えるように改良されたものであっても、疎水性を与えるように少なくとも１つの疎水性物質で被覆されたものでもよいことを理解されたい。疎水性物質の特性は、以上に詳述した実施形態において説明したように、水に対する接触角に基づく材料である。以下のいずれの実施形態においても、疎水性表面は、ガラス、ダイヤモンド、金属、セラミック、半金属、及びポリマーを含むがこれらに限定されない群から選択された少なくとも１つの材料から成る。本明細書において、金属という用語は、元素金属、合金、金属間化合物、及びアルミナイド等の金属から成るその他のそのような組成物を包含することを理解されたい。以下に記載の実施形態では、疎水性表面を構成する金属として、例えば、鉄、ニッケル、コバルト、クロム、アルミニウム、銅、チタン、白金、金、銀、及びそれらの合金を含むがこれらに限定されない群から選択された少なくとも１つの金属が挙げられる。以下のいずれの実施形態においても、表面は、表面への分子、原子、又はイオン種の拡散又は注入によって疎水性を得るよう改良されて疎水性表面となる。Ｂ、Ｎ、Ｆ、Ｃ、Ｏ、Ｈｅ、Ａｒ又はＨを含むイオンから成る群から選択された少なくとも１つのイオンを注入することにより、表面接触エネルギが低下し、湿潤性が低下する。一実施形態において、拡散又は注入過程は、窒化過程又は浸炭過程である。従来技術において、窒化及び浸炭過程は、金属表面を硬化させると共に、表面接触エネルギを低下させることで知られている。以下のその他の実施形態では、疎水性表面は疎水性物質で被覆されている。疎水性表面は、一実施形態ではテクスチャ表面である。以下のいずれの実施形態にも関連する、表面を被覆する疎水性物質は、疎水性ハードコーティング、フッ化材料、及びポリマーを含むがこれらに限定されない群から選択された少なくとも１つの材料であることを理解されたい。疎水性ハードコーティングとしてはこれらに限定されないが、ダイヤモンド状コーティング、フッ化ダイヤモンド状コーティング、窒化物、炭化物、酸化物、及びそれらの組み合わせが挙げられる。窒化物、炭化物、及び酸化物は、金属又は非金属で構成される。一実施形態において、疎水性ハードコーティングは、窒化チタン、窒化クロム、窒化ホウ素、窒化ジルコニウム、及びチタン炭窒化物を含むがこれらに限定されない群から選択された少なくとも１つの窒化物から成る。一実施形態において、疎水性ハードコーティングは、炭化クロム、炭化モリブデン、及び炭化チタンを含むがこれらに限定されない群から選択された少なくとも１つの炭化物から成る。一実施形態において、疎水性ハードコーティングは、酸化タンタル等の少なくとも１つの酸化物から成る。一実施形態において、疎水性ハードコーティングは、窒化物、炭化物、及び酸化物の任意の組み合わせにより構成される。疎水性ハードコーティングは、化学蒸着法（ＣＶＤ）及び物理蒸着法（ＰＶＤ）を含むがこれらに限定されない当業者に周知の方法によって塗布される。以下の実施形態においては、疎水性物質としてフッ化材料を用いる。疎水性物質であるフッ化材料の種類の例示的且つ非限定的な例としては、フルオロシランが挙げられる。一実施形態において、フルオロシランは、トリデカフルオロ−１，１，２，２−テトラヒドロオクチル−トリクロロシランである。以下のその他の実施形態においては、疎水性物質は、少なくとも１つのポリマーである。疎水性物質であるポリマーとしては、例えば、熱可塑性ポリマー、熱硬化性ポリマー、コポリマー、ポリマー複合材料、ポリシロキサン、フルオロポリマー、ポリウレタン、ポリアクリレート、ポリシラザン、ポリイミド、ポリカーボネート、ポリエーテルイミド、ポリスチレン、ポリオレフィン、ポリプロピレン、ポリエチレン、エポキシ、及びそれらの組み合わせを含むがこれらに限定されない群から選択された少なくとも１つの成分が挙げられる。
【００３３】
本発明の最も典型的な実施形態として、滴状液体の凝縮を促進するハイブリッド表面から成る製品を開示する。このハイブリッド表面は、少なくとも１つの幾何学形状を有する複数の隆起構造から成る配列を有する。また、複数の隆起構造は、疎水性表面を有する。また、ハイブリッド表面は、複数の隆起構造の間に散在する複数の親水性孔を有する。本明細書に開示の例示的実施形態において、滴状液体の凝縮は水の滴状凝縮である。一実施形態において、滴状液体の凝縮を促進するハイブリッド表面から成る製品は、配列を結合する固着構造を更に有する。この配列は、固着構造の任意の部分に結合される。
【００３４】
一実施形態において、配列状の複数の隆起構造の特徴は、中央部分の間隔（中央間隔）である。図２のように、配列２００は、固着構造に結合され、配列を構成する隆起構造２０１間に中央間隔２０３を有する。配列の間隔は、規則的であっても、不規則的であっても、ランダムであってもよい。一実施形態において、複数の隆起構造間の中央間隔は、約１００ｎｍ〜約１０ｍｍ、及びその全範囲にわたる。別の実施形態では、配列状の複数の隆起構造は、中央部分の幅（中央幅）を特徴とする。図２のように、配列２００は、配列を構成する複数の隆起構造の中央幅２０４を有する。この中央幅は、隆起構造の任意の切断点に定められる。以下の実施形態の説明において、中央幅は、隆起構造の遠位端で得られた測定値に関連することに留意されたい。一実施形態では、複数の隆起構造の中央幅は、約１０ｎｍ〜約１ｍｍ及びその全範囲にわたる。別の実施形態では、配列状の複数の隆起構造は、中央高さを特徴とする。図３のように、配列３００は、配列を構成する隆起構造の固着表面３０１から遠位端３０３までの、測定された中央高さ３１０を有する。一実施形態では、中央高さ／中央幅の比率は、約０．１〜約１０及びその全範囲にわたる。当業者に明らかなように、中央間隔、中央幅、及び中央高さを、それぞれの適用要件に応じて広い範囲にわたり変更することができ、そのような変更は、本発明の企図において認められるものである。上述のように、配列を構成する複数の隆起構造は、少なくとも１つの幾何学形状を有する。図２の実施形態では、隆起構造２０１は、正四角柱又は円柱であるが、これに限定されるわけではない。
【００３５】
複数の隆起構造の遠位端は、本発明の一実施形態では疎水性表面である。遠位端が少なくとも１つの凸面である実施形態もあれば、遠位端が少なくとも１つの略平面である実施形態もある。また、略平面が傾斜している実施形態もある。約１０度〜約８９度及びその全範囲において、この傾斜を変更可能な実施形態もあれば、約３０度〜約７０度で変更可能な実施形態、更に、約４５度〜約６０度の範囲でこの傾斜を変更可能な実施形態もある。一実施形態において、少なくとも１つの疎水性物質により、遠位端が被覆される。一実施形態において、疎水性物質は、テクスチャ表面を有する。一実施形態において、疎水性物質は、水に対して約７０度を上回る接触角を有する。別の実施形態では、疎水性物質は、水に対して約１２０度を上回る接触角を有する。
【００３６】
以下に開示のハイブリッド表面の実施形態において、複数の親水性孔は、複数のマイクロキャピラリーである。一実施形態において、複数のマイクロキャピラリーは、中央半径を特徴とする。以下に開示の実施形態において、中央半径は約１０ｎｍ〜約１ｍｍである。マイクロキャピラリーは、ガラス、ダイヤモンド、金属、セラミック、ポリマー、及びそれらの組み合わせを含むがこれらに限定されない群から選択された少なくとも１つの材料から構成される。本明細書において、金属という用語は、元素金属、合金、金属間化合物、及びアルミナイド等の金属から成るその他の同様の組成物も意味することを理解されたい。図２のように、マイクロキャピラリー２０２は、配列２００を構成する隆起構造２０１の間に散在する。図３の配列３００の実施形態では、マイクロキャピラリー３０４は、隆起構造３０２の間にその遠位端３０３まで散在するが、これに限定されない。図３の実施形態では、疎水性物質３０５が隆起構造の遠位端３０３を被覆する。マイクロキャピラリー３０４は、隆起構造３０２の間、且つ疎水性物質３０５上又は下に散在している。複数のマイクロキャピラリーは、配列の側面、配列を構成する固着構造の底面、又はそれらの任意の組み合わせから突出している。
【００３７】
更に、ハイブリッド表面は、ハイブリッド表面上の凝縮した液滴の移行を特徴とする。一実施形態では、ハイブリッド表面上の凝縮した液滴の移行は、疎水性表面から複数のマイクロキャピラリーへの移動である。この移動は、毛管力の影響を受ける運動である。この移動はまた、複数のマイクロキャピラリー内の運動でもある。図３のように、液滴３０９は、隆起構造３０２の遠位端３０３の疎水性物質３０５上で凝縮する。疎水性物質３０５の湿潤性は低いので、疎水性物質３０５から液滴３０９を容易に除去し、複数のマイクロキャピラリー３０４へ輸送することができる。図３は、疎水性物質３０５から除去され、複数のマイクロキャピラリー３０４に吸い込まれる液滴３０６を示す。毛管力（毛管作用）は、複数のマイクロキャピラリー３０４への、及びマイクロキャピラリー３０４内の液滴３０６の運動に影響を及ぼす。移行は更に、一実施形態においては、凝縮した液滴をハイブリッド表面から除去するステップに相当する。凝縮した液体が、マイクロキャピラリーに入り、マイクロキャピラリー内を移動し、マイクロキャピラリーの反対端から出ることで、除去ステップとなる。マイクロキャピラリーから出た液体は、タンクに収集されるか、そこから最初に蒸発した源へ戻される。
【００３８】
図４に、例示的実施形態による疎水性表面の表面上での水の凝縮前図４Ａと後図４ＢのＳＥＭ画像を示す。なお、図４に示す疎水性表面には、その中に散在する複数のマイクロキャピラリーが無いため、図示の表面はハイブリッド表面ではない。更に、上述のハイブリッド表面とは対照的に、全表面が疎水性物質で被覆されており、一実施形態では、隆起構造の遠位端が疎水性物質で被覆される。図４の疎水性表面では、例えば、疎水性表面上の滴状凝縮が生じる。ここでの凝縮は、以上に詳述したハイブリッド表面上と同じ態様で生じる。図４Ｂのように、水は、個別の滴状に表面の隆起円柱上で凝縮する。薄膜の形跡は円柱上ではっきりと認められない。凝縮は、円柱の側面及び上面の両方で起こる。円柱から液滴を除去した後、固着構造の底面に貯留が残る。しかし、本明細書に開示のハイブリッド表面では、複数のマイクロキャピラリーにより、凝縮した水をハイブリッド表面から離れた場所で担持するので、貯留が残らず、核生成サイトが更に凝縮を行なう余地が新たにできる。
【００３９】
本明細書に開示のハイブリッド表面は、一実施形態において、熱交換器として用いられる。本発明のハイブリッド表面は、冷却面からの凝縮した液滴の発散に関して、重力又は空気力に依存していないので、熱交換器としての用途に有利である。一実施形態において、このハイブリッド表面は、通常の重力の最大２０倍の条件下で冷却面から凝縮した液滴を除去する際に有利である。このような高重力下において、重力を利用した液滴除去は信頼性が低い。ハイブリッド表面の更なる利点として、ハイブリッド表面が、その湿潤性の低さを促進するよう設計されていることが挙げられる。そのため、水滴がハイブリッド表面から複数のマイクロキャピラリーへ移行する時、液滴は表面から「滑る」というよりも「落ちる」。「落下」機構は、小さな残存膜が残される「滑り」機構と対照的に、ハイブリッド表面上に残存液膜を殆ど残さない。当業者には明らかなように、小さな残存液膜であっても、表面の熱伝導性を低下させるので、熱交換用途における表面効率が低下し、その結果、膜状凝縮が生じていた。
【００４０】
本発明のまた別の実施形態において、滴状液体の凝縮を促進するハイブリッド表面を形成する方法を開示する。この方法は、固着構造を形成するステップと、複数の隆起構造から成る配列を形成するステップと該複数の隆起構造の間に複数の親水性孔を散在させるステップとから成る。複数の隆起構造は、少なくとも１つの幾何学形状を有する。また、複数の隆起構造は固着構造に結合される。複数の隆起構造の遠位端は、疎水性表面である。滴状液体の凝縮を促進するハイブリッド表面を構成する方法の実施形態において、ハイブリッド表面は、高い熱伝導性を有する少なくとも１つの物質から成る。
【００４１】
滴状液体の凝縮を促進するハイブリッド表面を形成する方法の一実施形態において、ハイブリッド表面は、複数の隆起構造間の中央間隔、複数の隆起構造の中央幅、及び複数の隆起構造の中央高さを特徴とする。この方法の一実施形態では、中央間隔は約１００ｎｍ〜約１０ｍｍ及びその全範囲にわたり、中央幅は約１０ｎｍ〜約１ｍｍ及びその全範囲にあたり、中央高さ／中央幅の比率は約０．１〜約１０及びその全範囲である。
【００４２】
以上に開示の方法の一実施形態では、複数の隆起構造の遠位端は少なくとも１つの形状を有する。このときの少なくとも１つの形状は、凸面、略平面、及びそれらの組み合わせから成る群から選択された少なくとも１つの特徴を有する。この方法の一実施形態では、複数の隆起構造の遠位端は、水に対して約７０度を上回る接触角を有する疎水性物質で被覆されている。別の実施形態では、疎水性物質が、水に対して約１２０度を上回る接触角を有する。一実施形態では、疎水性物質はテクスチャ表面を有する。当業者には明らかなように、そのようなテクスチャ加工が接触角に影響を及ぼす。更に、当業者には明らかなように、疎水性物質は、ハイブリッド表面に必要な動作条件に基づいて少なくとも部分的に定まる。以上に開示の特定の疎水性物質は、その物理的性質に基づく所定の動作条件により適している。疎水性物質として、様々なものを選択することができるが、以上に開示の全ての疎水性物質は、開示の方法の範囲にあるものとして認められる。
【００４３】
滴状液体の凝縮を促進するハイブリッド表面を形成する方法の例示的実施形態において、複数の親水性孔は、複数のマイクロキャピラリーである。本明細書に開示の方法の一実施形態において、複数のマイクロキャピラリーが中央半径を特徴とする。一実施形態では、中央半径は約１０ｎｍ〜約１ｍｍ及びその全範囲にわたる。この方法の一実施形態では、ハイブリッド表面は、ハイブリッド表面上の凝縮した液滴の移行を特徴とする。この移行は、疎水性表面から複数のマイクロキャピラリーへの移動である。この移動は、毛管力の影響を受ける運動である。また、この移動は、複数のマイクロキャピラリー内の運動である。毛管力はキャピラリー直径に反比例するので、ハイブリッド表面上で液滴を移行させる毛管力は約１０００倍以上に変動する。マイクロキャピラリーは、ガラス、金属、セラミック、ポリマー、及びそれらの組み合わせを含むがこれらに限定されない少なくとも１つの材料から構成される。当業者には明らかなように、毛管力の影響下で凝縮した液体を輸送することは、重力又は空気力に基づいてハイブリッド表面から液滴を移動させる方法の信頼性が低い場合に有利である。
【００４４】
本発明のまた別の実施形態において、滴状液体の凝縮を促進するハイブリッド表面から成る熱伝達装置を開示する。熱伝達装置は、固着構造と、複数の隆起構造から成る配列と、複数の隆起構造間に散在する複数の親水性孔とから成る。複数の隆起構造は、少なくとも１つの幾何学形状を有する。また、複数の隆起構造は、固着構造に結合される。複数の隆起構造の遠位端は、疎水性表面である。複数の親水性孔は、複数のマイクロキャピラリーである。熱伝達装置を構成するこのハイブリッド表面は、高い熱伝導性を有する少なくとも１つの物質から成る。一実施形態において、滴状液体の凝縮は、熱伝達ステップに相当する。
【００４５】
この熱伝達装置の一実施形態において、隆起構造の遠位端が疎水性物質で被覆されており、この疎水性物質は、水に対して約７０度を上回る接触角を有する。熱伝達装置の一実施形態において、疎水性物質は、水に対して約１２０度を上回る接触角を有する。
【００４６】
熱伝達装置は、一実施形態において、疎水性表面と大気接触する加工液のタンクを更に有する。本明細書において、「大気接触」とは、加工液タンクの蒸気がハイブリッド表面に接触することを意味する。一実施形態では、加工液は水である。一実施形態において、加工液の少なくとも一部が、熱伝達装置の疎水性表面上で液滴状に凝縮する。一実施形態において、熱伝達装置は、ハイブリッド表面上の凝縮した加工液滴の移行を特徴とする。この移行は、疎水性表面から複数のマイクロキャピラリーへの移動である。また、この移動は、毛管力の影響を受ける運動である。この移動はまた、複数のマイクロキャピラリー内の運動でもある。熱伝達装置の一実施形態において、加工液の移行は、加工液を加工液のタンクへ戻すステップに相当する。本発明の一実施形態では、熱伝達装置の加工液のタンクとハイブリッド表面とにより、更にヒートパイプが構成されるが、これに限定されない。
【００４７】
図５に、以上に開示の熱伝達装置を構成するヒートパイプの例示的実施形態を示す。このヒートパイプは、外面５１０の内部に移動部品を封入していない密閉システムである。加工液タンク５０９は、外面５１０の内部に封入されている。ヒートパイプの作動において、加工液タンク５０９が存在する端部は高温端５０１である。熱伝達面が存在する反対端部は、低温端５００である。加工液タンク５０９の加熱により加工液の少なくとも一部が蒸発し、蒸発した液体が熱移動によって高温端５０１から低温端５００へと移動する。ある点で、蒸発した液体は疎水性表面５０２上で液滴５０３として凝縮し、熱を低温端５００へ与える。疎水性表面５０２は隆起構造５０８の遠位端であり、更に固着構造５０６に接着する。複数のマイクロキャピラリー５０７は、疎水性表面５０２がその上にある複数の隆起構造５０８の間に散在する。複数のマイクロキャピラリー５０７は、落下する凝縮した液滴５０４を疎水性表面５０３から除去する。毛管力によって、凝縮した液滴が除去され、凝縮した液体は、ハイブリッド表面から輸送される。除去ステップの後、除去された液滴５０５は、加工液タンク５０９へ戻される。
【００４８】
以上に記載の熱伝達面及び熱伝達装置は、熱交換が必要なあらゆる用途に適用可能である。これらの用途のいずれかにおいては、水以外の液体が凝縮する。疎水性表面及び親水性孔を改良することにより、これらの別の液体が滴状凝縮し易くなり、毛管力による凝縮物を効果的に除去できるようになる。当業者には明らかなように、以上に記載の熱伝達面及び熱伝達装置のそのような改良は、本明細書に開示する本発明の教示内容及び本質から逸脱することなく、実施可能である。本明細書に開示の熱伝達面及び熱伝達装置に想起可能な用途としては、発電所、化学処理施設、及び脱塩プラントにおける利用が挙げられるが、これらに限定されない。
【実施例】
【００４９】
以下の実施例は、以上に開示の一部の実施形態をより詳細に例証するためのものである。当業者には明らかなように、以下の実施例に開示の技術により、本発明を実施するための例示的形態を構成する技術を説明する。当業者には、本開示を踏まえて、開示した特定の実施形態に様々な改変を加えることができ、かかる変更により、本発明の教示内容及び本質から逸脱することなく、同等又は同様の成果を得られることを理解されたい。
【実施例１】
【００５０】
図６及び図７に、ハイブリッド表面からの水滴の堆積、成長、及び除去の典型例を示す。ハイブリッド表面は、２００ｎｍのＡＡＯ（陽極酸化アルミナ親水性孔）によって囲まれた疎水性ＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン層）からなっている。疎水性ＰＤＭＳ層は、１００度以下の接触角を形成した。ＡＡＯ孔は、親水性マイクロキャピラリーとして機能した。ＡＡＯ孔の親水性は、酸素プラズマ処理（１００ｍｔｏｒｒ）で約２分間によって更に向上した。水滴は、図６及び図７に示すようにＰＤＭＳ層上に堆積した。図６Ａ〜６Ｆ及び図７Ａ〜７Ｆに示すように、シリンジを用いて（凝縮中の液滴成長）をシミュレーションして液滴の体積を漸増させた。液滴が十分な大きさに成長して、ＡＡＯ面と接触すると、液滴は親水性ＡＡＯマイクロキャピラリー内に直ちにウィッキングされて、図６Ｇ及び図７Ｇに示すように表面から除去された。
【００５１】
以上の説明により、当業者は、本発明の開示内容を容易に理解した上で、本発明の本質から逸脱することなくその実施形態を、用途及び条件に合わせて様々に修正及び変更することができる。本明細書に記載の実施形態は、あくまでも本発明の企図を説明する目的で列挙されたものであり、添付の特許請求の範囲に記載の開示内容を限定するものではない。
【符号の説明】
【００５２】
１００  表面
１０１  液滴
１０２  角度θ
１１０  接線
２００  配列
２０１  隆起構造
２０２  マイクロキャピラリー
２０３  中央間隔
２０４  中央幅
３００  配列
３０１  固着表面
３０２  隆起構造
３０３  遠位端
３０４  マイクロキャピラリー
３０５  疎水性物質
３０６  液滴
３０９  液滴
３１０  中央高さ
５００  低温端
５０１  高温端
５０２  疎水性表面
５０３  液滴
５０４  落下する凝縮した液滴
５０５  除去された液滴
５０６  固着構造
５０７  複数のマイクロキャピラリー
５０８  隆起構造
５０９  加工液タンク
５１０  外面
【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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【図６】
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【図７】
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