(57)【要約】  伝熱用装置（１００）が開示される。装置（１００）は、蒸気媒体から凝縮液への凝縮を促進するために配設されたテクスチャー化伝熱面（１２０）であって、伝熱面（１２０）上に配設された複数の表面テクスチャーフィーチャー（１３０）を含むテクスチャー化伝熱面（１２０）を含んでなる。複数のフィーチャー（１３０）は、凝縮液の液滴を表面（１２０）にピン止めするために表面（１２０）が及ぼす力が液滴を表面（１２０）から除去するように作用する外力以下になるようなメジアンサイズ、メジアン間隔及びメジアン高さ変位を有している。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
蒸気媒体から凝縮液への凝縮を促進するために配設されたテクスチャー化伝熱面であって、伝熱面上に配設された複数の表面テクスチャーフィーチャーを含むテクスチャー化伝熱面を含んでなる伝熱用装置であって、
複数のフィーチャーは、凝縮液の液滴を表面にピン止めするために表面が及ぼす力が液滴を表面から除去するように作用する外力以下になるようなメジアンサイズ、メジアン間隔及びメジアン高さ変位を有する、伝熱用装置。
【請求項２】
複数のフィーチャーが、比ｂ／ａが約２０以下になるようなメジアンサイズａ及びメジアン間隔ｂを有する、請求項１記載の装置。
【請求項３】
複数のフィーチャーが、比ｂ／ａが約１０以下になるようなメジアンサイズａ及びメジアン間隔ｂを有する、請求項１記載の装置。
【請求項４】
ｂ／ａが約６以下である、請求項３記載の装置。
【請求項５】
複数のフィーチャーがメジアン高さ変位ｈを有し、比ｈ／ａが約０．１〜約１００の範囲内にある、請求項１記載の装置。
【請求項６】
ｈ／ａが約０．５〜約１０の範囲内にある、請求項５記載の装置。
【請求項７】
複数のフィーチャーが約１００マイクロメートル以下のメジアンサイズａを有する、請求項１記載の装置。
【請求項８】
ａが約１０マイクロメートル以下である、請求項７記載の装置。
【請求項９】
複数のフィーチャーが、フィーチャーサイズ、フィーチャー形状及びフィーチャー間隔からなる群から選択される１以上のパラメーターについてランダム分布を有する、請求項１記載の装置。
【請求項１０】
複数のフィーチャーが、ｈ、ａ及びｂからなる群から選択される１以上のパラメーターについて多モード分布を有する、請求項１記載の装置。
【請求項１１】
１以上のフィーチャーがさらに、該フィーチャー上に配設された複数の二次フィーチャーを含む、請求項１記載の装置。
【請求項１２】
各フィーチャーが該フィーチャー上に配設された複数の二次フィーチャーを含む、請求項１１記載の装置。
【請求項１３】
複数のフィーチャーがフィーチャーの規則アレイからなる、請求項１記載の装置。
【請求項１４】
フィーチャーが表面エネルギー調整材料を含む、請求項１記載の装置。
【請求項１５】
表面エネルギー調整材料がイオン注入金属からなる、請求項１４記載の装置。
【請求項１６】
イオン注入金属が、Ｂ、Ｎ、Ｆ、Ｏ、Ｃ、Ｈｅ、Ａｒ及びＨからなる群から選択される１種以上の元素の注入イオンを含む、請求項１５記載の装置。
【請求項１７】
表面エネルギー調整材料が窒化材料又は炭化材料からなる、請求項１４記載の装置。
【請求項１８】
表面エネルギー調整材料がフィーチャー上に配設されたコーティングからなる、請求項１４記載の装置。
【請求項１９】
コーティングが、疎水性ハードコート、フッ素化材料及びポリマーからなる群から選択される１種以上の材料からなる、請求項１８記載の装置。
【請求項２０】
疎水性ハードコートが、ＤＬＣ、フッ素化ＤＬＣ、酸化タンタル、炭化チタン、窒化チタン、窒化クロム、窒化ホウ素、炭化クロム、炭化モリブデン、炭窒化チタン及び窒化ジルコニウムからなる群から選択される材料からなる、請求項１９記載の装置。
【請求項２１】
フッ素化材料がフルオロシランからなる、請求項１９記載の装置。
【請求項２２】
ポリマーが、シリコーン、フルオロポリマー、ウレタン樹脂、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、ポリシラザン、脂肪族炭化水素、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、ポリプロピレン及びポリエチレンからなる群から選択される１種以上からなる、請求項１９記載の装置。
【請求項２３】
複数のフィーチャーが表面内に配設された１以上の穴を含む、請求項１記載の装置。
【請求項２４】
表面が多孔質の陽極処理金属酸化物材料からなる、請求項２３記載の装置。
【請求項２５】
金属酸化物が酸化アルミニウムからなる、請求項２４記載の装置。
【請求項２６】
複数のフィーチャーが約１００ｎｍ以下のメジアン直径を有する複数の穴を含む、請求項２３記載の装置。
【請求項２７】
複数のフィーチャーが表面上に配設された１以上の突起を含む、請求項１記載の装置。
【請求項２８】
突起が、立方体、直角プリズム、円錐、円柱、角錐、台形プリズム、及び球のセグメントからなる群から選択される形状を有する、請求項２７記載の装置。
【請求項２９】
伝熱面が平板及び管からなる群から選択される１者からなる、請求項１記載の装置。
【請求項３０】
伝熱面が金属からなる、請求項１記載の装置。
【請求項３１】
伝熱面が、凝縮液に対して約７０度以上の接触角を生み出すのに十分な固有湿潤性を有する材料からなる、請求項１記載の装置。
【請求項３２】
外力が重力からなる、請求項１記載の装置。
【請求項３３】
外力が、表面に対して相対運動している流体が液滴に及ぼす力からなる、請求項１記載の装置。
【請求項３４】
外力が機械力からなる、請求項１記載の装置。
【請求項３５】
当該装置が多管式熱交換器である、請求項１記載の装置。
【請求項３６】
請求項１記載の装置を含んでなる蒸留システム。
【請求項３７】
請求項１記載の装置を含んでなる動力発生システム。
【請求項３８】
請求項１記載の装置を含んでなるヒートポンプ。
【請求項３９】
蒸気媒体から凝縮液への凝縮を促進するために配設されたテクスチャー化伝熱面であって、表面内に配設された複数の穴を含むテクスチャー化伝熱面を含んでなる伝熱用装置であって、
複数の穴は、比ｂ／ａが約６以下になりかつ比ｈ／ａが約０．５〜約１０の範囲内にあるような約１０マイクロメートル以下のメジアン穴サイズａ、メジアン間隔ｂ及びメジアン高さ変位ｈを有し、
伝熱面は、凝縮液に対して約７０度以上の接触角を生み出すのに十分な固有湿潤性を有する材料からなる、伝熱用装置。
【請求項４０】
蒸気媒体から凝縮液への凝縮を促進するために配設されたテクスチャー化伝熱面であって、表面上に配設された複数の突起を含むテクスチャー化伝熱面を含んでなる伝熱用装置であって、
複数の突起は、比ｂ／ａが約６以下になりかつ比ｈ／ａが約０．５〜約１０の範囲内にあるような約１０マイクロメートル以下のメジアンサイズａ、メジアン間隔ｂ及びメジアン高さ変位ｈを有し、
伝熱面は、凝縮液に対して約７０度以上の接触角を生み出すのに十分な固有湿潤性を有する材料からなる、伝熱用装置。
【請求項４１】
相変化を受けることができる作動流体、及び
作動流体を受け入れることができる凝縮器を含んでなるヒートポンプであって、
凝縮器は、作動流体から凝縮液への凝縮を促進するために配設されたテクスチャー化伝熱面であって、伝熱面上に配設された複数の表面テクスチャーフィーチャーを含むテクスチャー化伝熱面を含み、
複数のフィーチャーは、比ｂ／ａが約１０以下になりかつ比ｈ／ａが約０．５〜約１０の範囲内にあるような約１０マイクロメートル以下のメジアンサイズａ、メジアン間隔ｂ及びメジアン高さ変位ｈを有し、
伝熱面は、凝縮液に対して約７０度以上の接触角を生み出すのに十分な固有湿潤性を有する材料からなる、ヒートポンプ。
【請求項４２】
請求項４１記載のヒートポンプを含んでなる装置であって、空気調和機又は冷蔵庫からなる装置。
【請求項４３】
排出流体を放出するように構成された動力発生機ユニット、及び
動力発生機ユニットと流体流通可能な凝縮器を含んでなる動力発生用システムであって、
凝縮器は、排出流体から凝縮液への凝縮を促進するために配設されたテクスチャー化伝熱面であって、伝熱面上に配設された複数の表面テクスチャーフィーチャーを含むテクスチャー化伝熱面を含み、
複数のフィーチャーは、比ｂ／ａが約１０以下になりかつ比ｈ／ａが約０．５〜約１０の範囲内にあるような約１０マイクロメートル以下のメジアンサイズａ、メジアン間隔ｂ及びメジアン高さ変位ｈを有し、
伝熱面は、凝縮液に対して約７０度以上の接触角を生み出すのに十分な固有湿潤性を有する材料からなる、動力発生用システム。
【請求項４４】
動力発生機ユニットが原子炉、蒸気タービン又は燃料電池である、請求項４３記載のシステム。
【請求項４５】
原料液体から蒸気を生成するように構成された蒸発器、及び
蒸発器と流体流通可能な凝縮器を含んでなる蒸留システムであって、
凝縮器は、蒸気から凝縮液への凝縮を促進するために配設されたテクスチャー化伝熱面であって、伝熱面上に配設された複数の表面テクスチャーフィーチャーを含むテクスチャー化伝熱面を含み、
複数のフィーチャーは、比ｂ／ａが約１０以下になりかつ比ｈ／ａが約０．５〜約１０の範囲内にあるような約１０マイクロメートル以下のメジアンサイズａ、メジアン間隔ｂ及びメジアン高さ変位ｈを有し、
伝熱面は、凝縮液に対して約７０度以上の接触角を生み出すのに十分な固有湿潤性を有する材料からなる、蒸留システム。
【請求項４６】
蒸留システムが水脱塩システムである、請求項４５記載の蒸留システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は効率的な伝熱用の装置に関する。さらに詳しくは、本発明は、安定な滴状凝縮を促進するために低い表面エネルギーを有する伝熱表面を使用すること、及びこれらの表面を組み込んだ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
蒸気相から液相への凝縮は、一般に、動力発生システム及び冷凍システムで使用される凝縮器において通常起こるように、蒸気がそれの飽和温度より低い温度を有する表面に接触した場合に起こる。凝縮過程中には気化潜熱が放出され、この熱が表面に伝達される。
【０００３】
２つの代替機構が凝縮過程を支配し得る。大抵の場合、凝縮する液体（「凝縮液」）は表面全体を覆う膜を形成する。この機構は膜状凝縮として知られている。かかる膜は蒸気と表面との間の伝熱に対してかなりの抵抗をもたらし、この抵抗は膜厚の増加に伴って増大する。他の場合には、凝縮液は表面上に液滴として生じ、かかる液滴は表面上で成長し、他の液滴と合体し、重力又は空気力学的力の作用下で表面から脱落する。その結果、新たに露出した表面が残され、その上には新しい液滴が生じ得る。このいわゆる「滴状」凝縮は膜状凝縮よりもかなり高い伝熱速度をもたらすが、滴状凝縮は一般に不安定な状態であって、時間の経過に伴って膜状凝縮に置き換わることが多い。
【０００４】
実用システムにおける伝熱機構として膜状凝縮よりも滴状凝縮を安定化しかつ促進するための努力に際しては、凝縮媒体に添加剤を混入して凝縮液が表面を濡らす傾向（即ち、表面上に膜を形成する傾向）を低下させること、或いは表面エネルギーの低いポリマーフィルムを表面に適用して膜形成を低減させることがしばしば必要とされてきた。添加剤の使用は多くの用途において実際的でないことがあり、またポリマーフィルムの使用は表面と蒸気との間に大きい熱抵抗を挿入することがあるという点で、これらのアプローチには欠点がある。ポリマーフィルムはまた、多くの攻撃的な産業環境において低い付着性及び耐久性に悩まされることもある。
【０００５】
したがって、滴状凝縮を促進しかつ安定化する技術の進歩は、特にこれらの技術が耐久性を与えると共に表面と蒸気との間の伝熱を実質的に妨害しなければ、当技術分野で大いに歓迎されるであろう。
【特許文献１】欧州特許第１２１９９１２号公報
【特許文献２】ドイツ特許第１９８０３７８７号公報
【特許文献３】欧州特許第１０５２３０７号公報
【特許文献４】米国特許第６，４２８，８６３号公報
【特許文献５】米国特許出願公開第２００３／０９４２６５号公報
【特許文献６】欧州特許第０２５５４９８号公報
【特許文献７】米国特許第３，９９０，８６２号公報
【特許文献８】ドイツ特許第１０３３３８７７号公報
【特許文献９】国際公開第２００６／０２９６１６号公報
【特許文献１０】米国特許出願公開第２００５／０２２１０７２号公報
【特許文献１１】米国特許第６，６２３，２４１号公報
【非特許文献１】“Ｄｒｏｐｗｉｓｅ  Ｃｏｎｄｅｎｓａｔｉｏｎ  Ｈｅａｔ  Ｔｒａｎｓｆｅｒ  ｏｎ  Ｉｏｎ  Ｉｍｐｌａｎｔｅｄ  Ｍｅｔａｌｌｉｃ  Ｓｕｒｆａｃｅｓ”，Ａｌｆｒｅｄ  Ｌｅｉｐｅｒｔｚ，Ｋ−Ｈ  Ｃｈｏｉ  ａｎｄ  Ｌｉｖ  Ｄｉｅｚｅｌ
【非特許文献２】Ｘ．Ｍａ．，Ｊ．Ｗ．Ｒｏｓｅ，Ｄ．Ｘｕ，Ｊ．Ｌｉｎ  ａｎｄ  Ｂ．Ｗａｎｇ，Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ７８（２０００）８７−９３
【非特許文献３】Ｎ．Ｐａｔａｎｋａｒ，Ｌａｎｇｍｕｉｒ  ２００４，２０，７０９７−７１０２
【発明の開示】
【０００６】
本発明の実施形態は、上記その他のニーズに応えるものである。一実施形態は伝熱用装置である。かかる装置は、蒸気媒体から凝縮液への凝縮を促進するために配設されたテクスチャー化伝熱面であって、伝熱面上に配設された複数の表面テクスチャーフィーチャーを含むテクスチャー化伝熱面を含んでなる。複数のフィーチャーは、凝縮液の液滴を表面にピン止めする（即ち、接触状態に保つ）ために表面が及ぼす力が液滴を表面から除去するように作用する外力以下になるようなメジアンサイズ、メジアン間隔及びメジアン高さ変位を有する。
【０００７】
別の実施形態は伝熱用装置である。かかる装置は、蒸気媒体から凝縮液への凝縮を促進するために配設されたテクスチャー化伝熱面であって、表面内に配設された複数の穴を含むテクスチャー化伝熱面を含んでなる。複数の穴は、比ｂ／ａが約６以下になりかつ比ｈ／ａが約０．５〜約１０の範囲内にあるような約１０マイクロメートル以下のメジアン穴サイズａ、メジアン間隔ｂ及びメジアン高さ変位ｈを有する。伝熱面は、凝縮液に対して約７０度以上の接触角を生み出すのに十分な固有湿潤性を有する材料からなる。
【０００８】
別の実施形態は伝熱用装置である。かかる装置は、蒸気媒体から凝縮液への凝縮を促進するために配設されたテクスチャー化伝熱面であって、表面内に配設された複数の突起を含むテクスチャー化伝熱面を含んでなる。複数の穴は、比ｂ／ａが約６以下になりかつ比ｈ／ａが約０．５〜約１０の範囲内にあるような約１０マイクロメートル以下のメジアン穴サイズａ、メジアン間隔ｂ及びメジアン高さ変位ｈを有する。伝熱面は、凝縮液に対して約７０度以上の接触角を生み出すのに十分な固有湿潤性を有する材料からなる。
【０００９】
別の実施形態はヒートポンプである。かかるヒートポンプは、相変化を受けることができる作動流体、及び作動流体を受け入れることができる凝縮器を含んでなる。凝縮器は、作動流体から凝縮液への凝縮を促進するために配設されたテクスチャー化伝熱面を含み、該表面は伝熱面上に配設された複数の表面テクスチャーフィーチャーを含んでいる。複数のフィーチャーは、比ｂ／ａが約１０以下になりかつ比ｈ／ａが約０．５〜約１０の範囲内にあるような約１０マイクロメートル以下のメジアンサイズａ、メジアン間隔ｂ及びメジアン高さ変位ｈを有し、伝熱面は、凝縮液に対して約７０度以上の接触角を生み出すのに十分な固有湿潤性を有する材料からなる。
【００１０】
別の実施形態は動力発生用システムである。かかるシステムは、排出流体を放出するように構成された動力発生機ユニット、及び動力発生機ユニットと流体流通可能な凝縮器を含んでなり、凝縮器は排出流体から凝縮液への凝縮を促進するために配設されたテクスチャー化伝熱面を含んでいる。該表面は、伝熱面上に配設された複数の表面テクスチャーフィーチャーを含んでいる。複数のフィーチャーは、比ｂ／ａが約１０以下になりかつ比ｈ／ａが約０．５〜約１０の範囲内にあるような約１０マイクロメートル以下のメジアンサイズａ、メジアン間隔ｂ及びメジアン高さ変位ｈを有し、伝熱面は、凝縮液に対して約７０度以上の接触角を生み出すのに十分な固有湿潤性を有する材料からなる。
【００１１】
別の実施形態は蒸留システムである。かかるシステムは、原料液体から蒸気を生成するように構成された蒸発器、及び蒸発器と流体流通可能な凝縮器を含んでなる。凝縮器は蒸気から凝縮液への凝縮を促進するために配設されたテクスチャー化伝熱面を含み、該表面は伝熱面上に配設された複数の表面テクスチャーフィーチャーを含んでいる。複数のフィーチャーは、比ｂ／ａが約１０以下になりかつ比ｈ／ａが約０．５〜約１０の範囲内にあるような約１０マイクロメートル以下のメジアンサイズａ、メジアン間隔ｂ及びメジアン高さ変位ｈを有し、伝熱面は、凝縮液に対して約７０度以上の接触角を生み出すのに十分な固有湿潤性を有する材料からなる。
【００１２】
図面の簡単な説明
本発明の上記その他の特徴、態様及び利点は、添付の図面を参照しながら以下の詳細な説明を読んだ場合に一層良く理解されよう。図面全体を通じて、同じ符号は類似の部分を表している。
【００１３】
図１は、本発明の例示的な実施形態を示す概略断面図である。
【００１４】
図２は、本発明の別の例示的な実施形態を示す概略断面図である。
【００１５】
図３は、表面積をフィーチャーパラメーターｂ／ａ及びｈ／ａに対してプロットしたグラフである。
【００１６】
図４は、フィーチャーが突起である場合、ロールオフ前の最大液滴半径をフィーチャーパラメーターｂ／ａ及びｈ／ａの関数としてプロットしたグラフである。
【００１７】
図５は、フィーチャーが穴である場合、ロールオフ前の最大液滴半径をフィーチャーパラメーターｂ／ａ及びｈ／ａの関数としてプロットしたグラフである。
【００１８】
図６は、フィーチャーが突起である場合、液滴がカッシー状態の液滴として核生成するために利用できる表面積の分率をフィーチャーパラメーターｂ／ａ及びｈ／ａの関数としてプロットしたグラフである。
【００１９】
図７は、フィーチャーが穴である場合、液滴がカッシー状態の液滴として核生成するために利用できる表面積の分率をフィーチャーパラメーターｂ／ａ及びｈ／ａの関数としてプロットしたグラフである。
【００２０】
図８は、本発明の例示的な実施形態を示す概略断面図である。
【００２１】
図９は、本発明の実施形態に係るヒートポンプの略図である。
【００２２】
図１０は、本発明の一実施形態に係る発電システムの略図である。
【００２３】
図１１は、本発明の一実施形態に係る蒸留システムの略図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下の説明では、図面中に示す複数の図のすべてにわたり、同じ参照符号は類似の又は対応する部分を表している。また、「上部」、「下部」、「外方」、「内方」などの用語は便宜上の言葉であって、限定的な用語と解すべきでないことはもちろんである。さらに、本発明の特定のフィーチャーがある群の複数の構成要素の１以上又はこれらの組合せを含むか或いはそれからなるといわれる場合には、かかるフィーチャーがその群の構成要素のいずれかを単独で又はその群のいずれか他の構成要素と共に含むか或いはそれからなり得ることはもちろんである。
【００２５】
望ましい滴状凝縮挙動を促進しかつ維持するためには、伝熱装置の凝縮面は高い液滴核生成部位密度を得るために高い比表面積を有し、凝縮液膜形成を阻止するために凝縮液体（例えば、大抵は水）に対して低い湿潤性を有し、大きい直接表面−蒸気接触面積を維持するために核生成した液滴の迅速な放出（「ロールオフ」）を促進する必要がある。加えて、凝縮面は、効率的な凝縮を持続させるために表面の温度を適度に低い温度に維持できるように満足すべき熱伝導率レベルを維持しながら上記のことを達成する必要がある。上記の性能規格を実行可能な設計に変換するためには、若干のトレードオフの解決が必要であるが、これは本発明の実施形態によって達成された。
【００２６】
図面全般、特に図１について述べれば、これらの図は本発明の特定の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ないことはもちろんである。本発明の実施形態は、伝熱用装置１００を含んでいる。装置１００は、蒸気媒体から凝縮液への凝縮を促進するように配設されたテクスチャー化伝熱面１２０を有している。一般にこれは、表面１２０が液体に凝縮させるべき蒸気９１０との設計を可能にするように配設されることを意味する。表面１２０は特定の用途のために好都合な任意の形状で使用でき、熱交換用途のための通常の形状としては板及び管がある。若干の実施形態では、表面１２０は、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、白金又はその他適宜の金属元素を含む材料のような金属からなる。本明細書中で使用する「金属」という用語は、元素態金属材料、合金、及びアルミニウム化物や他の金属間組成物のような金属含有組成物を包括することが認められよう。さらに、伝熱性能規格が許すならば、表面１２０は例えばセラミック又は半金属のような非金属材料からなっていてもよい。ケイ素が半金属の具体例であり、窒化アルミニウム及び炭化ケイ素がセラミックの具体例である。
【００２７】
表面１２０は、表面１２０上に配設された複数の表面テクスチャーフィーチャー１３０を含んでいる。若干の実施形態では、複数のフィーチャー１３０は表面１２０内に配設された１以上の穴１４０を含み、若干の実施形態では、複数のフィーチャー１３０は表面１２０上に配設された１以上の突起１５０を含む。本明細書中で使用する「穴」という用語は、自然に生じる穴（例えば、細孔）及び人工的に生じる穴（例えば、ドリル穴）を含め、表面１２０内に配設された任意のくぼみをいう。フィーチャー１３０は高さ寸法（ｈ）を有するが、これは表面の基礎平面１６０から上方に突出した突起１５０の高さを表すか、或いは穴１３０の場合には穴が表面の基礎平面１６０より下方に延在する深さを表す。フィーチャー１３０はさらに幅寸法（ａ）を有するが、本明細書中ではこれをフィーチャーの「サイズ」という。フィーチャー１３０は、間隔寸法（ｂ）で特徴づけられる互いに離隔した状態で配設されている。間隔寸法ｂは、２つの最も近くに隣り合ったフィーチャーの縁端間の距離と定義される。複数のフィーチャー１３０は、予選択サイズの凝縮液の液滴を表面１２０にピン止めするために表面１２０が及ぼす力が液滴を表面１２０から除去するように作用する外力以下になるようなメジアンサイズ、メジアン間隔及びメジアン高さ変位を有する。かくして、液滴は所定サイズを超えて成長した場合に表面から脱落し、それにより表面１２０は追加の液滴が核生成する準備が整う。このようにして、表面１２０には安定な滴状凝縮を維持できる結果、膜状凝縮に頼らなければならない装置に比べて伝熱効率の顕著な向上が達成される。若干の実施形態では、外力は液滴に作用する重力からなるが、これは予選択された液滴サイズの値及び液体の密度に基づいて容易に計算できる。他の実施形態では、外力は表面に対して相対運動している流体（例えば、空気からなる流体）が液滴に及ぼす力からなるが、かかる力は標準的な流体力学技法を用いて容易に計算できる。用途及び凝縮すべき液体の性質によっては、他の力成分（例えば、電磁力など）も存在し得る。その上、若干の実施形態では、外力は機械力からなる。かかる機械力を発生させるには、例えば、表面を振動させるか、或いは機械的アクチュエーターを適用して表面から液滴をぬぐい取ればよい。
【００２８】
液滴サイズがフィーチャー１３０のサイズよりずっと大きい（例えば、約１０倍以上である）場合、液滴と表面１２０との相互作用の物理学を解析すれば、比ｂ／ａ及びｈ／ａが湿潤挙動に大きな影響を及ぼすことがわかる。例えば、Ｎ．Ａ．Ｐａｔａｎｋａｒ，Ｌａｎｇｍｕｉｒ  ２００４，２０，７０９７−７１０２を参照されたい。このような構成では、表面１２０上におけるフィーチャー１３０の存在及び形態は、例えば、表面１２０の湿潤性、表面１２０上の液滴の湿潤状態、及び若干の状況下では表面１２０上での核生成挙動に大きな影響を及ぼす。若干の実施形態では、複数のフィーチャーは、約１ｍｍ以上のサイズを有する液滴がメジアンフィーチャーサイズの約１０倍以上になることを保証するため、１００マイクロメートル以下のメジアンサイズａを有する。特定の実施形態では、ａは約１０マイクロメートル以下である。例えば、フィーチャー１３０内又はフィーチャー１３０上における異物粒子の停滞による表面の汚損を抑制するため、若干の実施形態ではそれより小さいメジアンフィーチャーサイズが望ましいことがある。
【００２９】
固体表面の「液体湿潤性」又は「湿潤性」は、表面と表面上に配置された所定液体の液滴との間に起こる相互作用の性質を観察することで決定される。液体に対して高い湿潤性を有する表面は、液滴が表面の比較的広い範囲にわたって広がるのを許す傾向（それによって表面を「濡らす」傾向）を示す。極端な場合には、液滴は表面を覆う膜をなして広がる。他方、表面が液体に対して低い湿潤性を有する場合には、液体は明確に形成されたボール形の液滴を保持する傾向を示す。極端な場合には、液体は表面上にほぼ球状の液滴を形成し、これはほんのわずかな外乱で表面から容易に転がり落ちる。
【００３０】
本発明の若干の実施形態では、フィーチャー１３０は、表面１２０が低い液体湿潤性を有するように選択されたサイズ（例えば、ａ）、形状（例えば、アスペクト比ｈ／ａを含む）及び配列状態（例えば、間隔パラメーターｂ／ａを含む）を有している。表面１２０の液体湿潤性の一般に認められている尺度の１つは、表面１２０と、表面１２０及び液滴１７５の接触点において参照液体の液滴１７５の表面に対する接線１７０との間に形成される静止接触角１６５（図２）の値である。接触角１６５の値が大きいことは、表面１２０上での参照液体に対する湿潤性が低いことを表す。参照液体は、興味の対象となる任意の液体であり得る。多くの用途では、参照液体は水である。他の用途では、参照液体は１種以上の炭化水素（例えば、油、石油、ガソリン、有機溶媒など）を含む液体である。他の例には、クロロフルオロカーボン（ＣＦＣ）のような冷媒がある。湿潤性は一部では参照液体の表面張力に依存するので、所定の表面は様々な液体に対して異なる湿潤性を有すること（したがって異なる接触角を形成すること）がある。本発明の若干の実施形態に係る表面１２０は、参照液体に対して、平らな（即ち、非テクスチャー化）金属表面に関して通例測定されるものよりかなり大きい接触角である約１００度以上の接触角１６５を生み出すのに十分な湿潤性を有している。この範囲内の比較的大きい接触角を設定することで、凝縮液は液滴として維持され、それにより凝縮液膜の形成を阻止できる。
【００３１】
テクスチャーフィーチャー１３０はまた、表面上に凝縮する液滴のための核生成部位を増加させるという点で、核生成にも影響を及ぼす。一般に、このような部位の増加は、テクスチャーをもたない表面に比べて表面積が増加することに帰因する。表面積をｂ／ａ及びｈ／ａの関数として解析すれば、表面積はｂ／ａ（フィーチャー間の相対間隔）が比較的小さいフィーチャー形態によって最も強く影響されることがわかる。例えば、図３はフィーチャー１３０が突起である場合に関する解析の結果を示している。ｂ／ａが約４未満である場合、（フィーチャーをもたない表面の表面積の倍数としてプロットされた）核生成のために利用可能な面積はフィーチャーアスペクト比（ｈ／ａ）の強い関数である。最大の向上は、表面が互いに非常に近接して離隔した非常に高いアスペクト比のフィーチャーを含む場合に得られる。
【００３２】
フィーチャー１３０のサイズが非常に小さい特定の実施形態では、表面１０に存在するフィーチャー１３０のタイプは核生成の促進に重要な役割を演じる。臨界液滴核生成半径ｒ*は、核生成する液滴が安定な液滴として存続するために達成しなければならない半径と定義される。この値は、例えば通例観測される条件下での水の凝縮については、一般に約５ナノメートル（ｎｍ）未満である。フィーチャーサイズがｒ*の約１０倍未満（即ち、例えば約５０ｎｍ未満）である場合、凸形のフィーチャーは巨視スケールのフィーチャー上における核生成のために必要なエネルギーに比べて高エネルギーの核生成障壁を提供する一方、凹形のフィーチャー（例えば、穴、細孔及び他のくぼみ）は巨視スケールのフィーチャーに比べて低エネルギーの障壁を提供する。かくして、フィーチャー１３０に関する小さいサイズスケールでは、くぼみは例えば凸形の突起（例えば、円柱状のポスト）よりエネルギー的に好ましい核生成部位を提供する。若干の実施形態では、複数のフィーチャーは、約１００ｎｍ未満（例えば、約５０ｎｍ未満又は若干の特定の実施形態では約２０ｎｍ未満）のフィーチャーサイズ（例えば、穴直径）を有する複数の穴１４０からなる。
【００３３】
高い液滴核生成速度に加えて、滴状凝縮による効果的な伝熱は、凝縮液滴が表面１２０から絶えず脱落して（又は転がり落ちて）表面１２０が絶えず蒸気に暴露されることに依存する。フィーチャー１３０の密度が比較的高い場合には、純粋に核生成問題に基づく望ましい条件（液滴と表面１３０との間の接触面積、したがって液滴を表面１３０にピン止めする力）も比較的高い。重力、空気力学的抗力、及び液滴を除去するように作用する他の力がピン止め力を超えれば、液滴は表面１３０から容易に脱落する。上述の通り、表面１２０は液滴の迅速な脱落を許すように設計される。即ち、表面１２０は、予選択サイズの凝縮液の液滴を表面１２０にピン止めするために表面１２０が及ぼす力が液滴を表面１２０から除去するように作用する外力（例えば、重力、空気力学的抗力又はこれらの組合せ）以下になるように設計される。この点の考察は、凝縮液の液滴が表面１２０といかに相互作用するかを理解することで助けられる。
【００３４】
液滴は、通例、複数の平衡状態のいずれか１つでテクスチャー化表面上に存在する。「カッシー(Cassie)」状態では、図２中の液滴１７５で図示されるように、液滴は粗面の尖端上に着座して尖端間にエアポケットを閉じ込める。「ウェンゼル(Wenzel)」状態では、液滴は表面全体を濡らして尖端間の空隙を液体で満たす。他の平衡状態は、一般に、純粋なカッシー挙動と純粋なウェンゼル挙動との中間状態として想定できる。一般に、カッシー状態の液体の相当部分は現実の表面ではなくエアポケットに接触しているので、カッシー状態は、液滴の脱落を促進するために固体表面に対する液滴の付着力の低下が望まれる用途（例えば、凝縮器及び他の伝熱装置）にとって望ましいことが多い。しかし、液体の少なくとも一部が衝突ではなく凝縮で表面１２０（図１）上に配置されるこれらの用途では、液体の少なくとも一部はウェンゼル状態の挙動を示す可能性がある。詳しくは、これらの液滴は突起１５０の側面及び間隙に核生成することがある。このような場合には、ロールオフを達成するのが純粋なカッシー液滴の場合より難しくなることがある。しかし、下記に一層詳しく記載されるように、液滴とフィーチャー１３０との相互作用が満足すべきロールオフを可能にするのに十分な程度に小さくなるように表面１２０をさらに設計することができる。
【００３５】
図４及び５は、本発明者らが表面フィーチャーのパラメーターと液滴のロールオフとの間に発見した数学的関係を示している。図中に示したプロットでは、重力が液滴に作用する唯一の力であること、液滴が主として液滴−表面接触線に作用する力で表面上に保持されていること、及び問題のテクスチャー化表面と同じ材料からなる平滑な（非テクスチャー化）表面上にある凝縮液に対する接触角が約１１０度であることが仮定されている。図４では、表面フィーチャーが突起である場合について、（垂直面に対する重力の作用下で）ロールオフ前の最大液滴半径をｂ／ａ及びｈ／ａの関数としてプロットされている。図５は、表面フィーチャーが穴である場合について同じプロットを示している。それぞれの曲線の上方の領域は、表記サイズの液滴のロールオフを可能にするｈ／ａ及びｂ／ａの組合せを示している。例えば、図４を参照すれば、予選択液滴サイズ（半径）が１ミリメートルである場合、カッシー状態の液滴は（ｈ／ａに関係なく）約０．６以上のｂ／ａについて転がり落ちると予想され、ウェンゼル状態の液滴はｈ／ａが約５である場合に約２以下のｂ／ａについて転がり落ちると予想される。図５を参照しながら、１ｍｍの予選択液滴サイズに関する例示を続ければ、カッシー液滴は約１以上のｂ／ａについて転がり落ちると予想され、ウェンゼル状態の液滴はｈ／ａが約５である場合に約２以下のｂ／ａについて転がり落ちると予想される。当業者であれば、本発明の実施形態は、特定のパラメーターの範囲集合が本明細書中に明記されているか否かにかかわらず、図４及び５のプロットで予測されるように液滴のロールオフを促進する予選択液滴サイズ、ｂ／ａ及びｈ／ａのあらゆる組合せ又はそれの任意の部分集合を包含することが理解されよう。
【００３６】
図４及び５をさらに考察すれば、所定の表面テクスチャーデザイン（即ち、ｂ／ａ及びｈ／ａの所定値）については、カッシー状態の液滴はウェンゼル状態の液滴よりロールオフのための最大サイズ（「臨界液滴サイズ」）がしばしば小さいことが示唆される。所定の系では、カッシー状態で表面１２０上に存在する液滴はウェンゼル状態の液滴よりも短い時間で表面１２０から転がり落ちることが予想されよう。系中には、一般比率のカッシー状態液滴が存在することが有利である。これは、第一に、カッシー状態の液滴がウェンゼル状態の液滴より迅速に転がり落ち、したがってより多くの核生成事象を生起させるためであり、第二に、これらの液滴が転がり落ちる際、脱落の途中で表面に沿って移動する間に他の液滴（カッシー状態又はウェンゼル状態）を表面から払い落とすためである。一般に、フィーチャー１３０の頂部に核生成する液滴は、カッシー状態に最もなりやすい候補液滴である。他の場所に核生成する液滴は、ウェンゼル状態の液滴として成長しかつ存続する可能性が高い。したがって、表面１２０はさらに、フィーチャー頂部の面積が液滴核生成のために利用し得る総面積の相当部分を占めるように保証することで一定比率のカッシー状態液滴の形成を促進するように設計することができる。図６は、フィーチャーが突起である場合について、カッシー状態の液滴のために利用可能な面積をｈ／ａ及びｂ／ａの関数として解析した結果を示しており、図７はフィーチャーが穴である場合について同様な解析結果を示している。若干の実施形態では、ｈ／ａ及びｂ／ａのようなフィーチャーパラメーターは、凝縮する蒸気に暴露される表面１２０の面積の少なくともある予選択比率（例えば、少なくとも約２％）がカッシー状態液滴の形成のために利用し得るように選択される。
【００３７】
上述の考察結果は、本発明の若干の実施形態に従って表面１２０を設計する際に斟酌される１組の競合する因子を表している。例えば、核生成速度の問題はできるだけ大きい表面積（即ち、高密度の高アスペクト比フィーチャー）の使用を促す。しかし、迅速な脱落に対する要求は、一般に比較的大きい相対間隔を有するフィーチャーの使用を促し、少なくとも若干のカッシー状態液滴に対する要求は低アスペクト比フィーチャーの使用を促す。かくして、ｈ／ａ及びｂ／ａに関して選択される特定の値は、満足すべき形状に到達するために競合する機構を解析した結果を表している。
【００３８】
フィーチャー１３０が突起１５０からなる若干の実施形態では、比ｂ／ａは約１０以下である。特定の実施形態では、ｂ／ａは約６以下である。フィーチャー１３０が穴１４０からなる他の実施形態では、ｂ／ａは約２０以下であり、特定の実施形態では約１０以下である。これらの範囲内で相対間隔を選択すれば、デザインは、ｈ／ａの選択に応じ、性能を不当に犠牲にすることなしに上述の有益な特性が容易に達成される範囲内に収まる。フィーチャー１３０が穴１４０又は突起１５０のいずれであるかにかかわらず、若干の実施形態ではｈ／ａは約０．１〜約１００の範囲内にあり、特定の実施形態ではｈ／ａは約０．５〜約１０の範囲内にある。０．５未満のｈ／ａでは表面積（核生成の問題）は一般にほとんど向上が見られず、１０を超えるｈ／ａでは核生成面積の約２％未満しかカッシー状態の液滴のために利用可能でないことに注意されたい。
【００３９】
本発明の実施形態は、範囲の特定の端点が変数の端点として明示されているか否かにかかわりなく、本明細書中に明記されたそれぞれの範囲内に含まれる任意の範囲も想定していることに注意すべきである。さらに、本発明の実施形態は、本明細書中に明示又は暗示されたパラメーター範囲の限界の任意の組合せも包含する。例えば、上述の利点をさらに十分に活用するためには、特定の実施形態ではａは約１００マイクロメートル以下であり、ｂ／ａは約６以下であり、ｈ／ａは約０．５〜約１０の範囲内にある。
【００４０】
フィーチャー形状の数多くの変形例が、フィーチャー１３０として使用するのに適している。若干の実施形態では、フィーチャー１３０の少なくとも部分集合は、立方体、直角プリズム、円錐、円柱、角錐、台形プリズム、及び球のセグメント（例えば、半球又は他の球部分）からなる群から選択される形状を有する。これらの形状は、フィーチャーが突起１５０又は穴１４０のいずれであっても好適である。例えば、特定の実施形態では、フィーチャーの少なくとも部分集合は、数十ナノメートル以下に限定された横方向サイズ及び限定されない縦方向サイズを有する構造体であるナノワイヤからなる。各種材料のナノワイヤの製造方法は当技術分野で公知であり、例えば、基体上への化学蒸着を含んでいる。ナノワイヤは、表面１２０上に直接成長させてもよいし、或いは独立の基体上に成長させ、（例えば、超音波処理の使用で）その基体から取り除き、溶媒中に入れ、溶媒を表面上に配置して乾燥させることで表面１２０上に移してもよい。
【００４１】
若干の実施形態では、複数のフィーチャー１３０のすべてがｈ、ａ及び／又はｂのそれぞれに関して実質的に同じ値を有する（「規則アレイ」）が、これは一般的な要件でない。例えば、複数のフィーチャー１３０は、フィーチャーサイズ、フィーチャー形状又はフィーチャー間隔のような１以上のパラメーターについてランダム分布を示すフィーチャー（例えば、ナノワイヤ）の集合体であり得る。さらに、若干の実施形態では、複数のフィーチャーはｈ、ａ、ｂ又はこれらの任意の組合せが多モード分布（例えば、二モード又は三モード分布）を示すことで特徴づけられる。かかる分布は、一定範囲の液滴サイズに遭遇する環境中において湿潤性の低下をもたらし得るので有利である。かくして、湿潤性に対するｈ、ａ及びｂの効果の推定は、これらのパラメーターの分布特性を考慮に入れることで最もよく実行される。確率分布を表す変数を用いて解析を行うための技法（例えば、モンテカルロシミュレーション法）は当技術分野で公知である。かかる技法は、本発明の物品で使用するためのフィーチャー１３０を設計する際に適用できる。
【００４２】
若干の実施形態では、多重サイズスケールのフィーチャーの存在が、上述のようにテクスチャー化した表面に対して得られる低湿潤性効果を拡大し、フィーチャーサイズ、形状及び配列状態の一層広い許容範囲を可能にする。図８に示すように、若干の実施形態では、１以上のフィーチャー１３０がフィーチャー１３０上に配設された複数の二次フィーチャー５００を含んでいる。特定の実施形態では、二次フィーチャー５００は各々のフィーチャー１３０上に配設されている。図８に図示した例は同一の二次フィーチャー５００の規則アレイを示しているが、かかる配列は一般的な要件でない。ランダム配列並びにサイズ、形状及び配列状態の他の分布も、特定の用途にとっては適当であり得る。二次フィーチャー５００は、側面及び上面を含むフィーチャー１３０の任意の表面上に配設でき、またフィーチャー１３０間の空隙内部の表面上にも配設できる。二次フィーチャー５００は、フィーチャー基線平面５１０を基準とした高さ寸法ｈ’（二次フィーチャーは平面５１０から上方に突出しているか、或いは平面５１０から下方に深さｈ’を有するようにしてフィーチャー１３０中に配設されたキャビティである。）、幅寸法ａ’及び間隔寸法ｂ’によって特徴づけることができる。これらのパラメーターはいずれも上述のａ、ｂ及びｈと同様に定義される。パラメーターａ’、ｂ’及びｈ’は、所望の用途に特有の条件に基づいて選択されることが多い。若干の実施形態では、ａ’、ｂ’及びｈ’ははいずれも約１〜約１０００ｎｍの範囲内にある。
【００４３】
フィーチャー１３０は、表面１２０と接触する蒸気との間に満足すべき程度の熱伝達を維持するようにして表面１２０上に配設されている。若干の実施形態では、フィーチャーは金属（例えば、表面１２０の形成のために適するものとして上述した金属の1種以上）からなる。しかし、伝熱性能要件が許すならば、フィーチャー１３０の形成に際して他の材料（例えば、セラミック、半金属又はポリマー）も使用できる。陽極処理金属酸化物がセラミック類の一例であり、陽極処理酸化アルミニウムが本発明の実施形態で使用するために適した可能な材料の具体例である。陽極処理酸化アルミニウムは通例柱状の細孔を含み、直径及びアスペクト比のような細孔パラメーターは陽極処理法で綿密に調節できる。多孔質の陽極処理金属酸化物層の厚さを十分に小さく保てるならば、多孔質フィーチャーの存在が提供する利益に比べて熱的ペナルティは無視できる。
【００４４】
金属、セラミック、半金属、金属間材料及びある種のポリマーは、一般に中位ないし高い湿潤性を有する。したがって、フィーチャー１３０の固有湿潤性（即ち、かかる材料からなる非テクスチャー化表面の湿潤性）を低下させる何らかの手段が存在しなければ、本明細書中に記載するようなフィーチャー１３０を設けることによる表面テクスチャー化の効果は所望レベルの湿潤性を得るために必ずしも十分でないことがある。凝縮液に実際に接触する表面１２０のために使用される材料の固有湿潤性は、凝縮液の静止液滴に対して約７０度以上の接触角を生み出すのに十分な程度に低い。若干の実施形態では、この接触角は約９０度以上であり、特定の実施形態では、接触角は約１１０度以上である。
【００４５】
若干の実施形態では、表面１２０はさらに表面エネルギー調整材料（図示せず）を含んでいる。一実施形態では、この材料は、表面１２０に材料層を配置してフィーチャー１３０を覆うコーティングを配設することで形成される。疎水性ハードコーティングが好適なオプションの１つである。本明細書中で使用する「疎水性ハードコーティング」という用語は、金属について認められる硬さを超える硬さを有すると共に、水滴に対して約７０度以上の静止接触角を生み出すのに十分な湿潤抵抗性を示す部類のコーティングをいう。通例高い耐摩耗性を有するダイヤモンド様炭素（ＤＬＣ）コーティングが、湿潤抵抗性を向上させるため金属物品上に施工されてきた（例えば、米国特許第６，６２３，２４１号を参照されたい。）。非限定的な例として、フッ素化ＤＬＣコーティングは水による湿潤に対して顕著な抵抗性を示した。窒化物、ホウ化物、炭化物及び酸化物のような他のハードコーティングも、このような目的に役立ち得る。平滑な金属基体上に堆積させた場合に水に対して約９０度以上の接触角を生み出すことが本発明者らによって証明された特に好適な候補材料には、酸化タンタル、炭化チタン、窒化チタン、窒化クロム、窒化ホウ素、炭化クロム、炭化モリブデン、炭窒化チタン、窒化ホウ素及び窒化ジルコニウムがある。これらのハードコーティング及びその施工方法（例えば、化学蒸着（ＣＶＤ）、物理蒸着（ＰＶＤ）など）は当技術分野で公知であり、苛酷な環境中で特に有用であり得る。フルオロシランのようなフッ素化材料も、ある種の液体（例えば、水）に対して低い湿潤性を示す好適なコーティング材料である。最後に、条件が許せば、コーティングはポリマー材料からなり得る。ある種の液体による湿潤に対して有利な抵抗性を有することが知られるポリマー材料の例には、シリコーン、フルオロポリマー、ウレタン樹脂、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、ポリシラザン、脂肪族炭化水素、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、ポリエチレン及びこれらの混合物がある。
【００４６】
別法として、表面エネルギー調整材料は、分子種、原子種又はイオン種を表面１２０内に拡散又は注入して、表面改質層の下方の材料に比べて変化した表面特性を有する材料層を生み出すことでも形成できる。一実施形態では、表面エネルギー調整材料はイオン注入材料（例えば、イオン注入金属）からなる。
ホウ素（Ｂ）、窒素（Ｎ）、フッ素（Ｆ）、炭素（Ｃ）、酸素（Ｏ）、ヘリウム（Ｈｅ）、アルゴン（Ａｒ）又は水素（Ｈ）のイオンによる金属材料のイオン注入は、注入された材料の表面エネルギー（したがって湿潤性）を低下させることができる。例えば、Ａ．Ｌｅｉｐｅｒｔｚ  ｅｔ  ａｌ．，“Ｄｒｏｐｗｉｓｅ  Ｃｏｎｄｅｎｓａｔｉｏｎ  Ｈｅａｔ  Ｔｒａｎｓｆｅｒ  ｏｎ  Ｉｏｎ  Ｉｍｐｌａｎｔｅｄ  Ｍｅｔａｌｌｉｃ  Ｓｕｒｆａｃｅｓ”，ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｌｔｔ．ｕｎｉ−ｅｒｌａｎｇｅｎ．ｄｅ／ｉｎｈａｌｔ／ｐｄｆｓ／ｔｋ＿ｇｒｅｎ．ｐｄｆ及びＸｕｅｈｕ  Ｍａ  ｅｔ  ａｌ．，“Ａｄｖａｎｃｅｓ  ｉｎ  Ｄｒｏｐｗｉｓｅ  Ｃｏｎｄｅｎｓａｔｉｏｎ  Ｈｅａｔ  Ｔｒａｎｓｆｅｒ：Ｃｈｉｎｅｓｅ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ”，Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ  Ｊｏｕｒｎａｌ，２０００，ｖｏｌｕｍｅ  ７８，８７−９３を参照されたい。
【００４７】
一実施形態では、窒化法又は炭化法のような拡散硬化法の使用で表面エネルギー調整材料が配設され、したがって表面エネルギー調整材料は窒化材料又は炭化材料からなる。窒化法及び炭化法は、金属の表面内に窒素又は炭素を拡散させ、金属中に含まれる強固な窒化物生成元素又は炭化物生成元素と反応させ、金属組成及び加工パラメーターに応じて反応材料層或いは硬質炭化物又は窒化物粒子の分散物を形成することで表面を硬化させることが当技術分野で知られている。当技術分野で知られている窒化法にはイオン窒化法、ガス窒化法及び塩浴窒化法があるが、これらは当該方法で使用する窒素源の状態に基づいて名づけられている。同様に、各種の炭化法が当技術分野で知られている。これらの方法は、金属の表面エネルギーを低下させる点で顕著な可能性を示した。一例では、３２マイクロインチの表面仕上を有する４０３鋼の（参照液体として水を用いて測定した）接触角は、イオン窒化法によって約６０度から約１１５度に増大した。鏡面仕上試験片に適用した窒化表面の予備観察によれば、窒化法は金属の固有表面エネルギーを低下させることに加えて表面にナノスケールのフィーチャーを堆積させ得る  ことが示唆される。かかるフィーチャーの存在は、表面が濡れに耐える能力を拡大し、同様な組成を有するが平滑でテクスチャーのない構造を有するコーティングに比べてコーティングの性能を向上させることができる。
【００４８】
表面エネルギー調整層は、表面１２０上にフィーチャー１３０を設けた後に施工できる。別法として、表面１２０上に表面エネルギー調整層を施工した後にフィーチャー１３０を形成することもできる。順序の選択は、使用する特定の加工方法並びにフィーチャー１３０及び表面１２０のために使用される材料に依存スルフィド。本明細書中に記載されるテクスチャーと組み合わせて表面エネルギー調整材料を使用すれば、テクスチャー化なしに表面エネルギー調整材料を使用した場合（即ち、該材料を平滑な表面上に施行した場合）に予想される液体接触角より顕著に大きい液体接触角を有する表面が得られることに注意すべきである。テクスチャー化及び表面改質を併用した本発明の実施形態で得られる湿潤抵抗性の向上は、液滴の転がりによる液滴の脱落を促進し得るが、テクスチャー化がなければ液滴は表面から滑り落ちるだけである。液滴のロールオフはスライドオフより好ましい。これは、転がる液滴は除去過程中において表面上に液膜を残す可能性が少なく、したがって蒸気と表面との直接接触を望ましく増加させるからである。これらの利点は、本明細書中に示す実施例によってさらに例証される。
【００４９】
フィーチャー１３０は、いくつかの方法で装置１００上に形成しかつ配設することができる。若干の実施形態では、フィーチャー１３０は装置１００の表面１２０上に直接形成される。他の実施形態では、フィーチャー１３０を表面１２０から独立して形成し、次いで表面１２０上に配設する。表面１２０上へのフィーチャー１３０の配設は、フィーチャー１３０を個別に結合することで行うことができる。或いは、フィーチャーをシート、フォイル又は他の適当な媒体上に配置し、次いでかかる媒体を表面１２０に結合してもよい。いずれの場合の結合も、特に限定されないが、溶接、ろう付け、機械的結合、或いはエポキシ系又は他の接着剤による接着結合のような任意適宜の方法で達成できる。
【００５０】
フィーチャー１３０の配設は、装置の表面上に材料を付加すること、表面から材料を除去すること、或いは付加及び除去の組合せによって達成できる。表面に対して材料を付加又は除去するためには、当技術分野で多くの方法が知られている。例えば、適当な媒体／工具及び表面材料を選択すれば、研削、グリットブラスチング又はショットピーニングのような機械的操作による表面の単純な粗面化が好適であり得る。例えば、約３２〜約２２０の範囲内のメッシュサイズを有する媒体を用いて金属表面にグリットブラスチングを施せば、特に上述のようにして表面エネルギー調整材料を粗面化（グリットブラスト処理）表面に適用した場合には、グリットブラスチングなしの表面が示す抵抗性に比べて、水による湿潤に対する抵抗性を生み出すのに十分なテクスチャーを有する表面が得られた。かかる操作は一般に表面上に分布したランダム配列のフィーチャーを生じるが、フィーチャーのサイズスケールは材料除去操作のために使用する媒体及び／又は工具のサイズに大きく依存する。金属表面をはじめとするエッチング可能な表面上に表面フィーチャーを生み出すためには、リソグラフィー法が通常使用される。これらの方法では、フィーチャーの規則アレイを得ることができる。これらの技法によって得られるフィーチャーサイズの下限は、適用される特定のリソグラフィー法の解像度によって制限される。
【００５１】
電気めっき法も、表面にフィーチャーを付加するために通常使用される。パターン化アレイをなすようにして導電性表面をマスクすることで、フィーチャーを配設すべき領域を露出させ、これらの露出領域上にめっきでフィーチャーを堆積させることができる。この方法は、エッチング技法で通常得られるものより高いアスペクト比を有するフィーチャーを生み出すことができる。特定の実施形態では、マスキングは、十分に制御された細孔サイズを有する陽極処理酸化アルミニウム（ＡＡＯ）テンプレートの使用で達成される。細孔を通して基体上に材料を電気めっきし、次いでＡＡＯテンプレートを選択的に除去する。この方法は、当技術分野では、ナノロッドのような高アスペクト比のフィーチャーを形成するために通常適用される。周知の加工方法を用いて金属及び金属酸化物のナノロッドを堆積させることができるが、これらの材料を（例えば、炭化法で）さらに処理して炭化物のような各種セラミック材料を形成することができる。下記に一層詳しく記載する通り、コーティング又は他の表面改質技法をフィーチャーに適用することでさらに一段と良好な湿潤性を得ることができる。
【００５２】
（例えば、シリコン及びステンレス鋼に対して通常使用される）レーザーミクロ加工のようなミクロ加工技法及びエッチング技法（例えば、シリコンに対して通常使用されるもの）も好適な方法である。かかる技法は、突出したフィーチャーばかりでなく（レーザードリリングの場合のように）キャビティを形成するためにも使用できる。複数のフィーチャー３２０がキャビティ３００を含む場合、若干の実施形態では、表面１２０は多孔質材料（例えば、陽極処理金属酸化物）からなる。陽極処理酸化アルミニウムは、若干の実施形態で使用するために好適であり得る多孔質材料の具体例である。陽極処理酸化アルミニウムは通例柱状の細孔を含み、直径及びアスペクト比のような細孔パラメーターは、金属層を多孔質金属酸化物層に転化させる技術分野で公知のプロセス制御装置を用いる陽極処理法で綿密に調節できる。
【００５３】
要するに、当技術分野で一般に知られている多数の堆積方法又は材料除去方法のいずれかを使用して表面上にフィーチャーを設けることができる。上述の通り、フィーチャーは表面１２０上に直接配設してもよいし、或いは基体上に配設してから表面１２０に結合してもよい。
【００５４】
装置１００（図１）の構成に関する追加の態様は、熱交換器設計及び製造の技術分野で広く知られており、本明細書中で繰り返すことはしない。一般に、装置１００はさらに、表面１２０に接触した蒸気９１０の凝縮を持続させるのに十分な温度に表面１２０の温度を維持するために冷却媒体９００と熱的に連絡した表面１２０を含んでいる。若干の実施形態では、冷却媒体９００は液体（例えば、水）であるが、他の実施形態では、冷却媒体９００は空気のような気体である。例示的な実施形態では、装置は、例えば蒸気タービン発電施設をはじめとする動力発生システム及び化学処理システムで通常使用されるタイプの多管式熱交換器のような凝縮器である。かかる場合には、表面１２０は、装置１００を通って排出流体が流れる際に凝縮液が生じる管の表面である。
【００５５】
本発明の一実施形態にはヒートポンプ１０００（図９）がある。ヒートポンプの基本設計及び動作は当技術分野で公知である。一般に、ヒートポンプ１０００は膨張器１０１０を通して作動流体を流すことで作動流体の温度を低下させる。次に、冷却した流体を蒸発器１０２０に流すと、その間に作動流体は蒸発器１０２０を取り巻く環境（例えば、市販冷蔵庫の内室からの空気）から熱を吸収し得る。次に、作動流体を圧縮機で圧縮し、凝縮器１０４０に送ると、凝縮作用によって蒸発器１０２０内及び圧縮中に吸収した熱が放出される。この凝縮器は、本明細書中に記載したような表面１２０を含む上述の装置１００（図１）を含んでいる。他の実施形態には、空気調和機及び冷蔵庫のような装置をはじめとして、ヒートポンプ１０００を含む装置が包含される。
【００５６】
図１０に示すような本発明のさらに他の実施形態には、動力発生機ユニット１０１０、及び動力発生機ユニット１０１０と流体流通可能な凝縮器１１２０を含んでなる動力発生用システム１１００がある。通例、流体流通は、ユニット１０１０からの排出流体１１３０を凝縮器１１２０に流すことで確立される。凝縮器１１２０は本明細書中に記載したような表面１２０を含んでいる。システム１１００の他の態様（例えば、凝縮液ポン、弁及び他の部品の位置及びデザイン）は、動力発生システム設計の技術分野で公知であり、本明細書中で繰り返すことはしない。ユニット１１１０は、動力発生サイクルの一部として１以上の凝縮器を通例使用する任意の動力発生装置（例えば、原子炉、蒸気タービン又は燃料電池）であり得る。
【００５７】
本発明の別の実施形態は、図１１に示すような蒸留システムである。システム１２００は、原料液体１２２０から蒸気を生成するように構成された蒸発器１２１０を含んでいる。蒸気は、蒸発器１２１０と流体流通可能に配設された凝縮器１２３０に輸送される。凝縮器１２３０は本明細書中に記載したような表面１２０を含んでいる。凝縮液は表面１２０上に生じ、表面１２０から転がり落ちた後に集められる。若干の実施形態では、システム１２００は脱塩システムである。この場合、原料液体１２２０は例えば海水であり、凝縮液は消費用として集められる飲料水であり得る。蒸留システム全般及び特に脱塩システムの副次的な細部は当技術分野で公知であり、本明細書中で繰り返すことはしない。
【実施例】
【００５８】
以下の実施例は、本発明の例示的な実施形態を例証するために示すものであり、決して本発明を限定するものと解すべきでない。
【００５９】
実施例１
伝熱用装置を設計する。適正な伝熱レベルを保証するためには、ロールオフ前に３ｍｍ以下の最大許容液滴直径が許容可能であることを決定する。伝熱面としてアルミニウム管を使用し、当技術分野で公知の方法を用いて、凝縮させるべき蒸気に接触する管の表面を陽極処理して厚さ（ｈ）１００マイクロメートルの陽極処理酸化アルミニウム（ＡＡＯ）の層を得る。この作業を行うために選択した陽極処理法を操作することで、約１０マイクロメートルのメジアン細孔直径（ａ）及び約３０マイクロメートルのメジアン縁端間隔（ｂ）を有する柱状の細孔を得る。かくして、ｈ／ａは約１０であり、ｂ／ａは約３である。図５を参照すれば、選択した方法は、ウェンゼル状態及びカッシー状態の液滴の両方について所望の最大サイズでロールオフを引き起こすように構成された表面を提供する。表面材料の固有湿潤性が凝縮水の静止水滴に対して約７０度以上の接触角を生み出すのに十分な程度に低いことを保証するため、装置での使用に先立ち、当技術分野で知られる蒸着方法を用いてＡＡＯ表面を非常に薄いフルオロシラン層で処理する。
【００６０】
実施例２
蒸気の凝縮に伴う熱伝達を測定するための実験的試験装置を設計した。試験装置は蒸気発生器、凝縮室及びチルブロックからなり、チルブロックの一端は蒸気に暴露され、他端は冷却器循環水に暴露された。試料の表面上に蒸気が凝縮するようにして試験試料をチルブロック上に取り付けた。ブロックの長さに沿った温度、試料の表面に沿った温度、及び蒸気の温度を測定することで、熱伝達及び関連する伝熱係数を求めた。
【００６１】
異なる表面特性を有するシリコンウェーハ（直径４”）を上記の装置で試験した。試料Ａは約４３度（親水性）の水接触角を有する標準のシリコンウェーハであり、基線として役立った。試料Ｂは、蒸着によりトリデカフルオロ−１，１，２，２−テトラヒドロオクチル−トリクロロシラン（フルオロシラン）で被覆することでその水接触角を１１０度（疎水性）に増大させた。試料Ｃ及びＤは本発明の実施形態に係る特異な表面テクスチャーを有しており、標準的なホトリソグラフィー技法及びそれに続く深部反応イオンエッチングを用いて作製した。試料Ｃは、幅３マイクロメートル及び間隔１．５マイクロメートルの直角柱状ポストフィーチャーを有していた。試料Ｄは、幅３マイクロメートル及び間隔６マイクロメートルの直角柱状ポストフィーチャーを有していた。ポストのアスペクト比は、試料Ｃ及びＤのいずれについても約３であった。試料は上記の装置において同一条件下で試験し、各々は異なる凝縮挙動を示した。表面の親水性のため、試料Ａ上では膜状凝縮が認められ、測定された伝熱係数は２．２３ｋＷ／ｍ2Ｋであった。試料Ｂ上の凝縮水は、表面に沿って滑動する大きい水滴からなっていた。測定された伝熱係数は２．８５ｋＷ／ｍ2Ｋであり、試料Ａのものよりわずかに大きいだけであった。試料Ｃ及びＤ上では、安定な滴状凝縮が認められ、水滴は滑動ではなく表面から転がり落ちるのが認められた。測定された伝熱係数は、それぞれ４．６１ｋＷ／ｍ2Ｋ及び１３．４８ｋＷ／ｍ2Ｋであった。基線試料（試料Ａ）に対する伝熱係数の向上は、試料Ｂについて約１．３倍、試料Ｃについて約２倍、試料Ｄについて約６倍であった。このような向上は、上述のようなテクスチャー化基体における核生成面積の増大及び優れたロールオフ特性に帰することができる。試料Ｄ上における平均水滴サイズは、大きい相対間隔（ｂ／ａ）のため、試料Ｃの場合より小さいことが認められた。これは、試料Ｃよりも試料Ｄについて高い伝熱係数をもたらした。
【００６２】
実施例３
６０６１アルミニウムからなる直径約１インチの管をまず細目の紙やすりで研磨し、次いで陽極処理法により陽極処理酸化アルミニウム（ＡＡＯ）で被覆した。表面は、平均して９０ｎｍの直径、５００ｎｍの深さ、及び約１０ｎｍの典型的な縁端間隔を有する細孔からなっていた。次に、この試料を実施例１と同じく蒸着によりフルオロシランで被覆した。表面を蒸気に暴露したところ、安定な滴状モードの凝縮が認められ、水滴は転がり落ちることで表面から脱落した。
【００６３】
以上、本明細書中で様々な実施形態を説明してきたが、当業者であれば様々な要素の組合せ、変更、同等物又は改良を使用し得ると共に、これらもやはり特許請求の範囲に定義された本発明の技術的範囲内に含まれることが本明細書から理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明の例示的な実施形態を示す概略断面図である。
【図２】本発明の別の例示的な実施形態を示す概略断面図である。
【図３】表面積をフィーチャーパラメーターｂ／ａ及びｈ／ａに対してプロットしたグラフである。
【図４】フィーチャーが突起である場合、ロールオフ前の最大液滴半径をフィーチャーパラメーターｂ／ａ及びｈ／ａの関数としてプロットしたグラフである。
【図５】フィーチャーが穴である場合、ロールオフ前の最大液滴半径をフィーチャーパラメーターｂ／ａ及びｈ／ａの関数としてプロットしたグラフである。
【図６】フィーチャーが突起である場合、液滴がカッシー状態の液滴として核生成するために利用できる表面積の分率をフィーチャーパラメーターｂ／ａ及びｈ／ａの関数としてプロットしたグラフである。
【図７】フィーチャーが穴である場合、液滴がカッシー状態の液滴として核生成するために利用できる表面積の分率をフィーチャーパラメーターｂ／ａ及びｈ／ａの関数としてプロットしたグラフである。
【図８】本発明の例示的な実施形態を示す概略断面図である。
【図９】本発明の実施形態に係るヒートポンプの略図である。
【図１０】本発明の一実施形態に係る動力発生システムの略図である。
【図１１】本発明の一実施形態に係る蒸留システムの略図である。
【符号の説明】
【００６５】
１００  伝熱用装置
１２０  伝熱面
１３０  フィーチャー
１４０  穴
１５０  突起
１７５  液滴
５００  二次フィーチャー
９００  冷却媒体
９１０  蒸気
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【国際調査報告】
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