(57)【要約】【課題】コーティングによらずに、親水化することが可能な表面微細構造並びにその製造方法、および熱交換器を提供すること。【解決手段】熱交換器のフィン１０の表面微細構造１０Ａは、材の表面１１と、表面１１に形成された複数の凹部１２とを備える。材の平滑面と水滴とがなす接触角をθｅとすると、幅に対する深さの比率が、１／ｔａｎθｅである基本クライテリアＣｒ１よりも小であって親水性を発現するように、凹部１２の形状を定める。【選択図】図２
2015183926.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
材の表面と、
前記表面に形成された複数の凹部と、を備え、
前記材の平滑面と水滴とがなす接触角をθｅとすると、
前記凹部の幅に対する深さの比率が、１／ｔａｎθｅである基本クライテリアよりも小であって親水性を発現する、
ことを特徴とする表面構造。
【請求項２】
前記凹部の幅に対する深さの比率が、前記接触角を１０％小さくした場合の前記基本クライテリアに対して小であって親水性を発現する、
ことを特徴とする請求項１に記載の表面構造。
【請求項３】
材の表面と、
前記表面に形成された複数の凹部と、を備え、
前記材の平滑面と水滴とがなす接触角をθｅとすると、
前記凹部の幅に対する深さの比率が、前記接触角を１０％大きくした場合の１／ｔａｎθｅである基本クライテリアに対して小であって親水性を発現する、
ことを特徴とする表面構造。
【請求項４】
前記材の表面に配置された水滴が、前記凹部の一方の端縁から前記凹部内に浸入する過程で、
前記凹部の他方の端縁にまで到達するよりも早く、前記凹部の底部に到達する、
請求項１から３のいずれか一項に記載の表面構造。
【請求項５】
前記材の表面に対する垂線と、前記凹部の内壁とがなす傾斜角をθｗとすると、
前記凹部の幅に対する深さの比率が、下記の式で表される傾斜クライテリアよりも小である、
【数１】
2015183926.tif 000006
請求項１から４のいずれか一項に記載の表面構造。
【請求項６】
材の表面と、
前記表面に形成された複数の凹部と、を備え、
前記凹部の各々は、円錐状または角錐状に形成され、
前記凹部のうちの一の前記凹部は、
他の前記凹部と近接しているか、他の前記凹部と連通しており、
前記材の表面に対する垂線と、前記凹部の内壁とがなす傾斜角が４５°以上であり、
親水性を発現する、
ことを特徴とする表面構造。
【請求項７】
前記材は、アルミニウムを用いて形成され、
前記材の表面に対して投影した面積を基準とする比表面積が１．１４以上であり、
接触角が３０°以下である、
請求項６に記載の表面構造。
【請求項８】
前記凹部は、
前記材の表面に投射材を衝突させるショットブラストにより形成される、
請求項１から７のいずれか一項に記載の表面構造。
【請求項９】
前記材の表面には、
第１規模である複数の前記凹部から形成された第１凹部パターンと、
前記第１規模よりも小さい第２規模である複数の前記凹部から形成された第２凹部パターンと、が重畳して形成される、
請求項１から８のいずれか一項に記載の表面構造。
【請求項１０】
冷媒が内部を流れるチューブに熱的に結合され、
請求項１から９のいずれか一項に記載の表面構造を有する、
ことを特徴とする熱交換器のフィン。
【請求項１１】
請求項１０に記載されたフィンと、
冷媒が内部を流れるチューブと、を備える、
ことを特徴とする熱交換器。
【請求項１２】
請求項１から９のいずれか一項に記載の表面構造の前記材の表面に投射材を衝突させるショットブラストにより、
前記凹部を形成する、
ことを特徴とする表面構造の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、親水化する表面微細構造並びにその表面微細構造を製造する方法、および表面微細構造を有する熱交換器のフィン、および熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
空気調和機を構成する熱交換器は、内部を冷媒が流れるチューブと、チューブに熱的に結合されるフィンとを備えており、チューブ内の冷媒と、フィン間を通る空気との間で熱交換を行う。
熱交換器のフィンへの結露、着霜により、フィン間の通風抵抗が大きくなることによる効率の低下や、フィンから空調空間への水飛びが生じるのを避けるため、フィンの表面には親水性または撥水性を与えるコーティングが施される。フィンは、典型的にはアルミニウムを用いて形成されており、アルミニウム材の表面はやや親水性を示すが、それよりも親水性を高め、あるいは十分な撥水性を与えることが望まれる。
親水性が十分に高いと、水がフィンの表面に沿って拡がるので、結露、着霜してもフィン間の通風抵抗を抑えられる。また、親水性が十分に高いことでフィンの表面に水が保持されるので、水飛びを抑えられる。
一方、撥水性が十分に高いと、フィンの表面に水分が付着し難いために、水や霜が大きな塊を形成しないので、フィン間の通風抵抗を抑えることができる。
【０００３】
ここで、フッ素系樹脂に代表される撥水性材料を用いた撥水性コーティングや、シリコーン系樹脂などの親水性材料を用いた親水性コーティングを材の表面に施すことにより、必要な親水性または撥水性を得ることが行われている。
また、親水性および撥水性は、材の化学的特性に依存するほか、材の表面の粗さにも依存する。表面に微細な凹凸を形成することによって表面の粗さを大きくするほど、材の表面が平滑であるときに示す親水性／撥水性が強調されること（Ｗｅｎｚｅｌの式）が知られている。
特許文献１では、アルミニウム部材（フィン）を酸に浸漬することで表面に凹凸構造を形成した後、フッ素系樹脂材料などを用いて撥水性コーティングを施すことにより、撥水性コーティングを単体で施した場合よりも撥水化している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−１７４２６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
熱交換器のフィンのコーティングは、フィンを成形するシート材、あるいはフィンとチューブとが組み付けられた組付体をコーティング液に浸漬することで行われる。
そのため、コーティングを行うためには、フィンのサイズに適合するコーティング液を貯留する液槽と、液槽を満たすコーティング液とが必要となり、これらのコーティング液や液槽に相応のコストが掛かる。
また、フィンの成形、チューブとの組み付けとは別途、コーティングを行う工程が必要となる。コーティング前には、酸洗浄、水洗、下地の化成処理等を必要とし、コーティング後には焼成を行うので、工程が嵩み、時間も掛かる。
さらに、特に屋外に設置される熱交換器のフィンにコーティングを施す場合、長期の使用にも耐えるコーティングの耐久性を確保することが難しい。
そこで、本発明は、コーティングによらずに、親水化（または撥水化）することが可能な表面微細構造並びにその製造方法、および熱交換器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述したように、表面に凹凸が形成されていると、親水性または撥水性を十分に得るために有用であることは知られている。親水性または撥水性を極限まで高めるために、理論上、究極の表面粗さおよび表面積が得られるフラクタル構造を模擬するための研究が行われてきた。
しかし、従来の研究は、表面構造の全体の表面粗さを指向しており、凹凸のある表面構造を構成する凹部あるいは凸部などの個々の要素が、具体的にどのような形状であれば撥水化あるいは親水化に有効であるのかについては、特定されるに至っていない。
ところで、空気中で針の先に付着した水滴は、表面エネルギが安定した状態となるように、周囲の空気をよけるようにまとまる結果、球状となる。空気の接触角は、１８０°である（最大の接触角）。
また、接触角が異なる２つの成分から形成された複合面の一方の成分が空気の場合の接触角を規定するＣａｓｓｉｅ−Ｂａｘｔｅｒの式（下記の式（１））が知られている。
【数１】
2015183926.tif 000003
【０００７】
ここで、ｒは、投影面積に対する実際の表面積の割合であり（表面粗さ）、１を超えた値をとる（ｒ＞１）。
ｆは、複合面において水滴が材（固体）と接している面積の割合であり、０以上、１以下の値をとる（０≦ｆ≦１）。
θCBは、材と水滴とがなす実際の接触角である。
θeは、材に水滴を静置した場合の接触角である。
θairは、空気と水滴とがなす接触角（１８０°）である。
上記の式（１）より、材と水滴との間に空気が巻き込まれると（ｆ＞０）、θCB＞θｅとなるため、撥水化される。材に水滴が点接触していると（ｆが小）より撥水化される。
【０００８】
上記のように、材と水滴との間に空気が巻き込まれると撥水化される。とすれば、具体的にどのような表面形状であれば空気の巻き込み現象が発生するのかしないのか、突き止めることができれば、接触角を制御できると考えられる。
上記の着想に基づいて、本発明の発明者が実験を行いながら鋭意探求した結果、本発明が完成された。
【０００９】
本発明の表面構造は、材の表面と、表面に形成された複数の凹部と、を備える。
そして、本発明は、材の平滑面と水滴とがなす接触角をθｅとすると、凹部の幅に対する深さの比率が、１／ｔａｎθｅである基本クライテリアよりも小であって親水性を発現することを特徴とする。
【００１０】
基本クライテリアは、表面微細構造を構成する凹部の形状（深さと幅の関係）に応じて、空気の巻き込みが生じるか否かが決まる事象を捉えることによって設定される。この基本クライテリアは、凹部が形成された表面微細構造の撥水化および親水化の狭間を決定するものであり、凹部の幅に対する深さの比率が基本クライテリアを上回るほど撥水化し、下回るほど親水化する。
したがって、基本クライテリアよりも小さい領域内で凹部の幅に対する深さを定めることにより、必要な親水性を得ることができる。
【００１１】
本発明によれば、親水性を与えるコーティングを施す必要なく、表面に基本クライテリアから導かれる形状の凹部を形成することにより、必要な親水性を与えることが可能となる。
コーティングを廃止すると、コーティング液、液槽のコストが不要となり、コーティングに付随する下地処理、焼成等も不要となるので、製造コストを抑えて効率よく製造することができる。
その上、一般に、樹脂コーティングの耐久性、強度よりも、典型的には金属から形成される材の素地の耐久性、強度の方が高いので、屋外の長期使用の使用にも耐える耐久性や、衝撃に耐える強度を容易に確保できる。
【００１２】
上記の基本クライテリアは、材の表面に配置された水滴が、凹部の一方の端縁から凹部内に浸入する過程で、凹部の他方の端縁にまで到達するよりも早く、凹部の底部に到達する事象を捉えることで設定される。水滴が、凹部の他方の端縁にまで到達するよりも早く凹部の底部に到達する場合は、基本クライテリアよりも小（親水化）に該当する。この場合、水滴が凹部を跨ぐブリッジが生じない。
【００１３】
接触角の測定値はバラツキ易いので、誤差を含む。そのため、接触角を接触角測定値に対して１０％小さくした場合の基本クライテリアに対して小となるように、凹部の幅に対する深さの比率を定めることができる。つまり、接触角の測定値（あるいはデータシート等の値）を１０％減で読み替えて基本クライテリアを策定すれば、ブリッジ現象の発生を十分に防いで親水性を発現させることができる。
あるいは、接触角を１０％大きくした場合の基本クライテリアに対して小となるように、凹部の幅に対する深さの比率を定めることも許容される。その場合でも、ブリッジ現象の発生が抑制されることで、親水性を発現させることができる。
【００１４】
本発明の表面構造において、材の表面に対する垂線と、凹部の内壁とがなす傾斜角をθｗとすると、凹部の幅に対する深さの比率が、下記の式で表される傾斜クライテリアよりも小であることが好ましい。
【数２】
2015183926.tif 000004
【００１５】
凹部の内壁が表面の垂線に対して傾斜していると、内壁が垂線に沿っている場合と比べて、水滴のブリッジが成立し難くなる。
そして、傾斜角が一定以上に大きくなると、水滴のブリッジが成立しなくなる。
上記の傾斜クライテリアは、三角関数を用いる幾何学計算により、傾斜角θｗと凹部の深さ／幅との関係を求めることによって定められる。
この傾斜クライテリアを用いることにより、表面に対して傾斜した内壁を有する凹部についても、基本クライテリアを拡張して適用することができる。
【００１６】
上記の基本クライテリアおよび傾斜クライテリアは、親水性あるいは撥水性を付与するための凹部の形状の設計に新たな指標を提供するが、表面構造の実際の接触角は、これらのクライテリア以外の要素も絡んで複合的に生じる。
本発明の第２の表面構造は、上記の基本クライテリアおよび傾斜クライテリアを考慮しつつ、必ずしもこれらのクライテリアには拘泥されずに創出されたものであり、材の表面と、表面に形成された複数の凹部とを備える。そして、本発明は、凹部の各々が、円錐状または角錐状に形成され、複数の凹部のうちの一の凹部が他の凹部と近接しているか、他の凹部と連通しており、材の表面に対する垂線と、凹部の内壁とがなす傾斜角が４５°以上であり、親水性を発現することを特徴とする。
【００１７】
材の表面に対してなだらかな傾斜の（４５°以上）円錐状または角錐状の複数の凹部が、互いに近接して、または一部が重なり合って互いに連通し、あるいは近接するものと重なり合うものとが混在するように、材表面に形成されていると、後述するように、比表面積（表面粗さ）が拡大されることで十分に親水化を図ることができる。
【００１８】
第２の表面構造において、材がアルミニウムを用いて形成される場合、材の表面に対して投影した面積を基準とする比表面積を１．１４以上に増大させることができる。それにより、３０°以下の接触角が得られる。
【００１９】
本発明の表面構造において、凹部は、材の表面に投射材を衝突させるショットブラストにより形成されることが好ましい。
ショットブラストにより、微小な凹部を効率よく形成することができるので量産に対応できる。また、投射材の形状を選定することにより、凹部の形状を円錐状や角錐状に容易に制御することができる。
なお、ショットブラストは、ショットピーニング、サンドブラストを含む。
【００２０】
本発明の表面構造において、材の表面には、第１規模である複数の凹部から形成された第１凹部パターンと、第１規模よりも小さい第２規模である複数の凹部から形成された第２凹部パターンと、が重畳して形成されることが好ましい。
それによって規模の異なる２種類の凹部が同じ領域に混在されることで、単一の規模の凹部を形成した場合よりも比表面積を増大させることができる。
【００２１】
本発明の熱交換器のフィンは、冷媒が内部を流れるチューブに熱的に結合され、上述の表面構造を有することを特徴とする。
上述の表面構造を有することにより、十分に高い親水性を実現することができるので、結露、着霜を抑制して熱交換器の効率を向上させることができる。
【００２２】
本発明の熱交換器は、上記のフィンと、冷媒が内部を流れるチューブと、を備えることを特徴とする。
【００２３】
本発明の表面構造の製造方法は、上述の表面構造の材の表面に投射材を衝突させるショットブラストにより、凹部を形成することを特徴とする。
ショットブラストにより、部材の表面に親水化に適した形状の凹部を確実に成形しつつ、量産に対応できる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、コーティングによらずに撥水化することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の第１実施形態に係る熱交換器のフィンを拡大して模式的に示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は断面図である。
【図２】フィンに形成された表面微細構造の凹部の深さ／幅について、撥水化および親水化の狭間を規定する基本クライテリアを示す図である。
【図３】接触角に対する感度評価に用いる形状因子を示す図である。
【図４】感度評価の結果を示す図である。
【図５】表面微細構造に水滴が接触して拡がる様子を示す図である。
【図６】凹部が深い場合に空気の巻き込みが生じることを説明するための図である。
【図７】凹部が浅い場合に空気の巻き込みが生じないことを説明するための図である。
【図８】（ａ）は、基本クライテリアの策定に用いた表面微細構造の凹部のモデルを示す図であり、（ｂ）は、図２の再掲である。
【図９】凹部の表面に対して凹部の内壁が傾斜している場合について説明するための図である。
【図１０】図９のように凹部の内壁が傾斜している場合について、撥水化および親水化の狭間を規定する傾斜クライテリアを示す図である。
【図１１】親水化に適した形状の凹部を有する表面微細構造が親水化される様子を示す図である。
【図１２】本発明の第２実施形態に係る熱交換器のフィンを拡大して模式的に示す断面図である。
【図１３】ショットブラストの条件を決めるために投射材の粒径等について評価した結果を示す図である。
【図１４】ショットブラストにより形成された表面微細構造の凹部の形状を示す図である。
【図１５】本発明の第３実施形態に係る熱交換器のフィンを拡大して模式的に示す断面図である。
【図１６】第３実施形態のフィンの表面微細構造に形成される凹部パターンを示す図である。
【図１７】接触角１０°以下の水滴の様子を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。
〔第１実施形態〕
図１（ａ）は、第１実施形態に係る熱交換器のフィン１０の表面微細構造１０Ａを示す。
本実施形態の熱交換器は、プレートフィンタイプであり、プレート状をした多数のフィン１０が平行に積層される。フィン１０の積層体と、冷媒が内部を流れる図示しないチューブとが組み付けられることによって熱交換器が構成される。この熱交換器は空気調和機を構成する。
【００２７】
フィン１０は、アルミニウム合金材から形成されており、表裏両面に表面微細構造１０Ａを備える。
表面微細構造１０Ａは、撥水性や親水性を与えるコーティングが施されていない材の表面１１と、表面１１に形成された多数の凹部１２とを備える。
各凹部１２は、円形の開口を有しており、断面は図１（ｂ）に示すように矩形状をしている。凹部１２はフィン１０の全面に亘り配列されている。凹部１２の幅１２Ｗ（径）は、水滴の径に対して十分に小さい。ここで、水滴の直径は、１ｍｍ〜３ｍｍ程度を想定する。
【００２８】
フィン１０の表面側１０１と裏面側１０２とでは、凹部１２が互い違いに配置されている。つまり、表面側１０１において隣り合う凹部１２と凹部１２との間に、裏面側１０２の凹部１２が位置し、裏面側１０２において隣り合う凹部１２と凹部１２との間に、表面側１０１の凹部１２が位置している。このように構成されていると、ローラーによる圧延や金型によるプレスにより、フィン１０の両面に凹部１２の形状を転写しようとした際に歪が生じ難い。
【００２９】
表面微細構造１０Ａにおいては、その材自体が、接触角が４５°〜８４°程度の親水性を有するが、凹部１２の幅１２Ｗに対する深さ１２Ｄの比率が所定の基本クライテリアＣｒ１（図２）に基づいて定められることで、親水性が強調されている。
基本クライテリアＣｒ１（凹部１２の深さ／幅）は、フィン１０の材の平滑面（表面１１）と水滴とがなす接触角をθｅとしたとき、１／ｔａｎθｅである。凹部１２の幅１２Ｗに対する深さ１２Ｄの比率が、この基本クライテリアＣｒ１よりも小となるように、凹部１２の形状が定められる。
すなわち、凹部１２の深さ／幅は、表面微細構造１０Ａの接触角を左右する要素の一つであり、凹部１２の深さ／幅を規定する基本クライテリアＣｒ１は、凹部１２が形成された表面微細構造１０Ａの撥水化および親水化の狭間を決定する。
【００３０】
図２は、材の平滑面と水滴とがなす接触角θｅと、凹部１２の深さ／幅との関係を示す。接触角θｅは、凹部１２が形成されていない平滑な面と水滴とがなす接触角であり、水滴の大きさや、材が設置される姿勢のいかんによらず一定とする。
ここで、基本クライテリアＣｒ１の誤差に対処するため、基本クライテリアＣｒ１と、それよりも上側と下側との近傍の値を含む基本クライテリア帯Ｂ１を設定している。そして、基本クライテリア帯Ｂ１よりも大となるように凹部１２の深さ／幅を定めている。
基本クライテリア帯Ｂ１は、接触角θｅが測定値に対して１０％小さい場合の基本クライテリアＣｒ１１から、接触角θｅが測定値に対して１０％大きい場合の基本クライテリアＣｒ１２までの範囲である。
接触角θｅが測定誤差を含んでいたとしても、凹部１２の深さ／幅が基本クライテリアＣｒ１よりも小さい領域Ｆ２では、表面微細構造１０Ａは親水化される。
一方、凹部１２の深さ／幅が基本クライテリアＣｒ２よりも大きい領域Ｆ１では、表面微細構造１０Ａは撥水化される。但し、凹部１２の深さ／幅が基本クライテリアＣｒ１よりも大きくても基本クライテリア帯Ｂ１の上限値Ｃｒ１２よりは小さければ（Ｃｒ１からＣｒ１２までの範囲）、後述するブリッジ現象が成立せずに表面微細構造１０Ａが撥水化されうるので、当該範囲に凹部１２の深さ／幅を設定することも許容される。
【００３１】
接触角θｅの測定値は、アルミニウムを用いて形成された材の場合、約４５°〜約９０°である。化成処理されたアルミニウム材の場合、接触角は約５０〜約７０°である。
また、ステンレス鋼材の場合、接触角θｅは約８０°〜約９０°である。
【００３２】
上記の基本クライテリアＣｒ１を特定するに至ったプロセスについて、以下説明する。
接触角に影響を及ぼす要素の一つとして、本発明者は、材と水滴との間の空気の巻き込みに着目した。
その一方で、タグチメソッド（品質工学）を用いて、接触角に対する形状因子の感度評価を行った。
評価に用いた形状因子は、図３に示すように、凹部１２の幅１２Ｗ、深さ１２Ｄ、ピッチ１２Ｐ、凹部１２の断面形状（矩形、Ｕ字（円弧状を含む）、Ｖ字）、および複数の凹部１２がなすパターン（格子状、縞状、点状）である。
感度評価には、タグチメソッドのＬ１８に基づいて１８個の供試体を用いた。凹部１２の幅、深さ、およびピッチは、それぞれ３段階に振っている。また、形状因子ではないが、Ａｌ合金、ステンレス鋼（ＳＵＳ）、および化成処理をしたＡｌ合金から形成された供試体を試した。
感度評価により、図４に示す結果が得られた。図４の縦軸は、各因子が接触角に及ぼす影響の度合（感度）を示しており、図の上方にいくほど撥水化し、図の下方にいくほど親水化する。図４の結果によると、接触角に対して、凹部１２の幅、深さ、およびパターンの感度が他の因子と比べて大きい。
【００３３】
ここで、凹部１２の幅が狭いほど、または凹部１２の深さが深いほど撥水化し、逆に、凹部１２の幅が広いほど、または凹部１２の深さが浅いほど親水化する。
このように、凹部１２の幅および深さの違いにより、何故、撥水化または親水化されるのか、そのメカニズムについて考察するにあたり、下記の条件を設定する。
条件１：水滴の径に対して、表面微細構造１０Ａの凹凸の構造（凹部１２の幅、深さ、ピッチ等）は十分に小さい。
条件２：材の平滑面と水滴とがなす接触角θｅは常に一定である。
条件３：水滴は、その表面積が小さくなるように挙動する（表面エネルギーの最小化）。
【００３４】
そして、図５に示すように、水滴１４が表面微細構造１０Ａに静置され、材との間に空気１５を巻き込みながら自重により拡がる様子を想定する。
水滴１４は、表面微細構造１０Ａに接触する前は、球状であり（図５（ａ））、水滴１４の球面の一部が表面微細構造１０Ａの表面１１に接触する（図５（ｂ））。
その後、水滴１４は、接触した箇所（表面１１Ａ）から、両側の凹部１２，１２を跨いで隣の表面１１Ｂ，１１Ｃにも接触する（図５（ｃ））。それを水滴の体積に応じた回数だけ繰り返しながら、水滴１４は拡がり、安定する（図５（ｄ））。図５（ｄ）の状態において、表面微細構造１０Ａと水滴１４とが実際になす接触角θが測定されることとなる。
【００３５】
上記のように、表面微細構造１０Ａと接触した直後からの水滴１４の挙動を捉えることにより、撥水化、親水化されるメカニズムについて考察する。
まず、凹部１２が十分に深い場合について述べる。
図６（ａ）に示すように、水滴１４が、表面微細構造１０Ａの表面１１Ａに接触する。水滴１４の径に対して、表面微細構造１０Ａの凹凸の構造は十分に小さいため（条件１）、水滴１４は、凹部１２，１２の間の凸部の天面である表面１１Ａに接触し、凹部１２の開口の一方の端縁１２１にまで拡がる。
そして、図６（ｂ）に示すように、水滴１４の一部が端縁１２１から凹部１２の内壁１２３に沿って浸入する。このとき、材と水滴１４とがなす角は、θｅである（条件２）。接触角θｅは、材の垂直面についても一定であり、図６（ａ）〜（ｄ）を通じて不変である（図７（ａ）〜（ｄ）でも同様）。
【００３６】
その後、図６（ｃ）に示すように、水滴１４が凹部１２内のより奥へと浸入しようとするが、水滴１４は、凹部１２の底部１２４には到達しないで凹部１２の他方の端縁１２２（対岸側）に到達する。こうして水滴１４が凹部１２を跨いで対岸の表面１１Ｂに到達したときの凹部１２内の水滴１４の断面形状は、条件３より、図６（ｃ）に示すように直線で近似することができる。
水滴１４が対岸に到達すると、水滴１４によって凹部１２の内側と外側とが仕切られるので、水滴１４と材との間に空気１５が巻き込まれる。
【００３７】
水滴１４は、さらに、図６（ｄ）に示すように、表面１１Ｂ上を拡がる。このとき、水滴１４は、表面積を小さくするように挙動するので（条件３）、凹部１２内で下方へと膨らむことなく、直線状を維持すると推定できる。
そして、凹部１２内に空気１５を巻き込みながら、図６（ａ）〜（ｄ）を繰り返し、安定する（図５（ｄ）参照）。
なお、水滴１４の右側のみを図示しているが、図の左側においても同様に水滴１４が拡がる。また、凹部１２の紙面に直交する方向にも水滴１４は拡がる。
【００３８】
次に、凹部１２が浅い場合について述べる。
図７（ａ）に示すように、水滴１４が、表面微細構造１０Ａの表面１１Ａに接触する。水滴１４の径に対して、表面微細構造１０Ａの凹凸の構造は十分に小さいため（条件１）、水滴１４は、凹部１２，１２の間の凸部の天面である表面１１Ａに接触し、凹部１２の開口の一方の端縁１２１にまで拡がる。
そして、図７（ｂ）に示すように、水滴１４の一部が端縁１２１から凹部１２の内壁１２３に沿って浸入する。このとき、材と水滴１４とがなす角は、θｅである（条件２）。
なお、水滴１４の右側のみを図示しているが、図の左側においても同様に水滴１４が拡がる。また、凹部１２の紙面に直交する方向にも水滴１４は拡がる。
【００３９】
ここまでは、凹部１２が深い場合（図６）と同様であるが、凹部１２の深さが浅いと、図７（ｃ）に示すように、水滴１４が凹部１２の底部１２４に到達し、底部１２４に沿って拡がる。このとき、水滴１４は、凹部１２の長さ方向にも拡がる。
そして、水滴１４は、図７（ｄ）に示すように、凹部１２の他方の端縁１２２（対岸側）から表面１１Ｂへと溢れ出る。つまり、凹部１２が浅い場合は、水滴１４と材との間への空気の巻き込みが生じない。その後、図７（ａ）〜（ｄ）を繰り返し、安定する。
【００４０】
以上で述べた、凹部１２が深い場合（図６）と、凹部１２が浅い場合（図７）との考察に基づくと、凹部１２の幅、深さによってぬれ性（撥水性および親水性）に違いが出るのは、水滴１４が凹部１２の一方の端縁１２１から他方の端縁１２２へと凹部１２を跨ぐようにブリッジする現象が生じるのか（図６（ｃ））、生じないのか（図７（ｃ））が関係するものと推定される。
つまり、凹部１２が深いため、水滴１４が凹部１２の底部１２４に到達することなく凹部１２の対岸へとブリッジすれば（図６（ｃ））、水滴１４と材との間に空気１５が巻き込まれる。そうすると、撥水化すると推定される。
一方、水滴１４が凹部１２の対岸へと到達するよりも早く底部１２４に到達するほどに、凹部１２が浅ければ（図７（ｃ））、凹部１２内に十分に水滴１４が入り込むので、親水化すると推定される。
【００４１】
以上の考察をベースに、表面微細構造１０Ａを構成する凹部１２のモデルを作図した（図８（ａ））。このモデルに基づいて、凹部１２の幅および深さについての幾何学的関係を求める。
ここで、簡単のため、凹部１２の横断面を表す２次元形状で取り扱い、凹部１２内に浸入した水滴の形状は直線で表せるものとする。
凹部１２の幅１２Ｗの値をＡとおくと、深さ１２Ｄの値はＡ／ｔａｎθｅと表せるので、凹部１２の深さ／幅は、１／ｔａｎθｅである。この１／ｔａｎθｅ（基本クライテリアＣｒ１）において、撥水化と親水化とを線引きできる。
つまり、水滴１４が凹部１２内に入り込む過程で、底部１２４よりも先に対岸（端縁１２２）に到達すれば（図６（ｃ））撥水化し（図２の領域Ｆ１）、対岸よりも先に底部１２４に到達すれば（図７（ｃ））親水化するのであり（図２の領域Ｆ２）、対岸／底部に付くか付かないかの瀬戸際に、撥水化／親水化の境界を設定することができる。
【００４２】
図８（ｂ）（図２と同様）より、例えば、フィン１０のアルミニウム合金材の平滑面が８４°の接触角θｅを示すとすると、基本クライテリアＣｒ１（深さ／幅）は約０．１である。
その他の材（例えば、ステンレス鋼材、化成処理をしたアルミニウム材、銅）でも、接触角θｅに応じて基本クライテリアＣｒ１が定まる。
【００４３】
以上より、凹部１２の形状（深さと幅の関係）に応じて、空気の巻き込みが生じるか否かが決まる事象に基づいて設定された基本クライテリアＣｒ１を用いると、接触角を制御することができる。
例えば、接触角が８４°である場合は、凹部１２の幅に対する深さの比率が基本クライテリアＣｒ１である０．１を上回ると撥水化し（上向きの矢印参照）、その比率が０．１を下回ると親水化する（下向きの矢印参照）。
したがって、本実施形態のようにフィン１０に親水性を発揮させたい場合は、凹部１２の深さ／幅を０．１よりも小に設定するとよい。基本クライテリアＣｒ１よりも小さい領域Ｆ２内で基本クライテリアＣｒ１から離間するほど撥水化するので、凹部１２の深さ／幅の大きさを調節することにより、必要な親水性を得ることができる。
【００４４】
以上で説明したように、本実施形態によれば、親水性を与えるコーティングや撥水性を与えるコーティングを施す必要なく、フィン１０の表面に基本クライテリアＣｒ１から導かれる形状の凹部１２を形成することにより、フィン１０の表面に必要な親水性または撥水性を与えることが可能となる。
コーティングを廃止することで、コーティング液、液槽のコストが不要となり、コーティングに付随する下地処理、焼成等も不要となるので、製造コストを抑えて効率よく製造することができる。
その上、樹脂コーティングの耐久性、強度よりも金属材の素地の耐久性、強度の方が高い場合が多いので、屋外の長期使用にも耐える耐久性や、衝撃に耐える強度を容易に確保できる。
【００４５】
以上で述べた基本クライテリアＣｒ１は、表面１１に対して垂直な内壁１２３を有し、矩形の断面形状をした凹部１２（図８（ａ））について設定される。
以下、表面１１に直交する垂線に対して内壁１２３が傾斜している場合について説明する。
図９（ａ）（ｂ）に示す内壁１２３は、表面１１に直交する垂線Ｌ１に対してθｗだけ傾斜している。
図９（ａ）は、傾斜角θｗが小さい場合を示し、図９（ｂ）は、傾斜角θｗが大きい場合を示している。
【００４６】
垂線Ｌ１に対して内壁１２３が傾斜していると、内壁１２３が垂線Ｌ１に沿っている場合と比べて、水滴１４のブリッジが成立するために余分に深さを必要とする（図９（ａ））。
そして、接触角θｅと傾斜角θｗとの幾何学的関係により、一定以上に傾斜角θｗが大きくなると（図９（ｂ））、図１０のグラフから読み取れるように、水滴１４のブリッジが成立しなくなる。
三角関数を用いる幾何学計算により、傾斜角θｗと凹部１２の深さ／幅との関係を求めると、水滴１４のブリッジが生じるか否かを分ける傾斜クライテリアＣｒ２（図１０）を定めることができる。
【００４７】
傾斜クライテリアＣｒ２（深さ／幅）は、次の式（２）により表される。
【数３】
2015183926.tif 000005
【００４８】
図１０は、接触角θｅが８４°（アルミニウム材）の場合の傾斜クライテリアＣｒ２を示す。上述したように、傾斜角θｗが０から大きくなるにつれて、ブリッジが成立するために必要となる深さが増大し、傾斜角θｗが一定以上（ここでは約４５°以上）となるとブリッジが生じない。
例えば、傾斜角θｗが２０°である場合は、凹部１２の深さ／幅が傾斜クライテリアＣｒ２である０．４を上回ると撥水化し（上向きの矢印参照）、その比率が０．４を下回ると親水化する（下向きの矢印参照）。
【００４９】
ここで、基本クライテリアＣｒ１の場合と同様に、傾斜クライテリアＣｒ２と、それよりも上側と下側との近傍の値を含む傾斜クライテリア帯Ｂ２を設定することが好ましい。
傾斜クライテリア帯Ｂ２は、接触角θｅが測定値に対して１０％小さい場合の傾斜クライテリアＣｒ２１から、接触角θｅが測定値に対して１０％大きい場合の傾斜クライテリアＣｒ２２までの範囲をいう。
接触角θｅが測定誤差を含んでいても、凹部１２の深さ／幅が傾斜クライテリア帯Ｂ２よりも小さい領域では確実に親水化される。
凹部１２の深さ／幅が傾斜クライテリアＣｒ２よりも大きくても傾斜クライテリア帯Ｂ２の上限値Ｃｒ２２よりは小さければ（Ｃｒ２からＣｒ２２までの範囲）、ブリッジ現象が生じずに親水化されうるので、当該範囲に凹部１２の深さ／幅を設定することも許容される。
傾斜クライテリアＣｒ２により撥水化の領域ＦＡと隔てられる親水化の領域ＦＢにおいて、凹部１２の幅に対する深さの比率を増大させていくと、親水性が強調される（図１０において右上の箇所）。これは、凹部１２が深いために比表面積が増大すること（表面粗さｒの増大）による。
【００５０】
表面微細構造１０Ａの凹部１２の断面形状は、矩形（図８（ａ））や台形（図９）に限らず、Ｕ字やＶ字であってもよい。Ｕ字やＶ字の場合は、内壁１２３に沿って傾斜角θｗを設定することで、傾斜クライテリアＣｒ２を利用して凹部１２の深さ／幅を定めることができる。
図４に示した形状因子の感度評価に用いた凹部１２の断面形状（図３）と、図４の評価結果によれば、傾斜角θｗが小さいほど水滴１４のブリッジが成立し易いので撥水化し、傾斜角θｗが大きいほど親水化することが示唆されている。
【００５１】
凹部１２の径は、水滴の径の約１／４以下に設定することができ、例えば、７０μｍ以下に設定することができる。
凹部１２間のピッチは任意である。凹部１２は隙間なく密集して形成されていてもよい。また、隣り合う凹部１２と凹部１２との領域が重なり合って互いに連通していてもよい。
凹部１２は、矩形状、Ｖ字、Ｕ字などの断面が連続する溝として形成されていてもよい。
【００５２】
上記の条件により形成された凹部１２を備える表面微細構造１０Ａに、１μｌの体積の水滴を静置すると、図１１に示すように、水滴１４と材との間に空気が巻き込まれることなく親水性を示す。このときの接触角θは約５０°〜６０°である。
【００５３】
第１実施形態の表面微細構造１０Ａは、例えば、金型を用いたプレスやローラーを用いる圧延によってシート材に凹部１２の形状を転写することにより形成することができる。
凹部１２の配列が不規則な場合は、ショットブラストにより凹部１２を形成することも可能である。
その他、切削やエッチングにより表面微細構造１０Ａの凹部１２を形成することも許容される。
【００５４】
表面微細構造１０Ａは、基本クライテリアＣｒ１および傾斜クライテリアＣｒ２を用いて親水化を図ることで、親水性を発現するが、基本クライテリアＣｒ１および傾斜クライテリアＣｒ２を用いて撥水化を図ることで、撥水化を発現する表面微細構造１０Ａを提供できることは言うまでもない。
【００５５】
〔第２実施形態〕
次に、図１２〜図１５を参照し、本発明の第２実施形態について説明する。
第２実施形態以降では、第１実施形態と同様の構成に同じ符号を付している。
上記の基本クライテリアＣｒ１および傾斜クライテリアＣｒ２は、親水性あるいは撥水性を付与するための凹部の形状の設計に新たな指標を提供するが、表面微細構造の実際の接触角は、これらのクライテリアＣｒ１，Ｃｒ２以外の要素も絡んで複合的に生じる。
そこで、第２実施形態では、基本クライテリアＣｒ１および傾斜クライテリアＣｒ２を考慮に入れつつ、比表面積を拡大させる観点から凹部の形状を設定する。
【００５６】
第２実施形態のフィン１０は、第１実施形態と同様にアルミニウム合金材から形成されている。
フィン１０に形成された表面微細構造２０Ａは、フィン１０の全面に亘り、円錐または角錐状の多数の凹部２２を有する。円錐または角錐状の凹部２２の断面はＶ字状をしている。
表面微細構造２０Ａは、フィン１０の表裏両面に形成されることが好ましい。
【００５７】
凹部２２は、不規則に配置されており、図１２に示すように、互いに重なり合って連通するものも多い。
【００５８】
凹部２２をショットブラストにより形成するにあたり、投射材の粒径や形状、噴射圧力を決めるための事前評価を実施した。その結果を図１３に示すように、尖った形状の微小な投射材を高圧で施工すると、親水化の効果が高い。
【００５９】
図１３の評価結果を踏まえて、本実施形態の凹部２２は、例えば、下記の条件でショットブラストを行うことにより、形成することができる。
投射材（粒子）の径：５３μｍ以下
投射材の形状：非球形（尖った部分もある不定形なもの）
施工圧力：０．５ＭＰａ以上
加工時間：０．５秒以上
ガンから材までの距離：１０ｃｍ以下
投射材の材料は、例えば、アルミナ、シリカ等を採用することができる。
また、圧縮エアにより投射材を吸引して噴射させる重力式、投射材を直接加圧して噴射させる直圧式、いずれの方式のショットブラストも採用することができる。
なお、粒子径と凹部２２の径との関係は、例えば、粒子径５０μｍに対して凹部径が２０〜４０μｍである。得られる凹部経は、施工圧力によって変動する。
【００６０】
上記の条件でショットブラストを行うと、投射材が衝突した箇所に凹部２２が形成されるので、加工前と比べて、材の表面に対する投影面積を基準とする比表面積ｒ（表面粗さ）を拡大することができる。そのことにより、アルミニウム合金材が化学的特性として元来有する親水性が強調される（Ｗｅｎｚｅｌの式）。
図１４（ａ）〜（ｃ）は、投射材の径、形状、投射材の速度を適宜設定することで得られた結果をまとめたものである。投射材の速度は、ガンの種類や施工圧力を選定することで設定することができる。
図１４（ａ）は、凹部２２の深さ／幅の平均が０．２５９となる表面微細構造２０Ａの凹部形状を示しており、比表面積ｒは１．１３である。このとき接触角は４６°である。
図１４（ｂ）は、凹部２２の深さ／幅の平均が０．２７０となる表面微細構造２０Ａの凹部形状を示しており、比表面積ｒは１．１４である。このとき接触角は２３°である。
図１４（ｃ）は、凹部２２の深さ／幅の平均が０．３０７となる表面微細構造２０Ａの凹部形状を示しており、比表面積ｒは１．１７である。このとき接触角は１０°以下である。
【００６１】
図１４（ａ）〜（ｃ）の各々において、横方向のスケール（４０μｍと付記）は縦方向のスケール（４μｍと付記）の１０倍であるから、実際の凹凸の傾斜は図示よりもなだらかである。材の平滑な表面１１（図１２の二点鎖線）を仮定した場合、その表面１１に対する垂線Ｌ１と、凹部２２の内壁２２３とがなす傾斜角θｗの平均は、４５°以上となる。そして、凹部２２の深さ／幅は０．５以下となる（図１４（ａ）〜（ｃ））。
第１実施形態で述べたように、傾斜角θｗが大きくなるほど水滴のブリッジが生じ難くなるので親水化する。
つまり、ショットブラストにより、なだらかな傾斜の円錐状または角錐状の凹部２２が形成されると、比表面積ｒの拡大により親水性が強調されることに加えて、親水化に適した傾斜角θｗが形成されることによっても、親水性が強調されることとなる。
以上より、本実施形態によっても、凹部２２の形成により、十分に親水化することができる。
【００６２】
〔第３実施形態〕
次に、図１５および図１６を参照し、本発明の第３実施形態について説明する。
第３実施形態においても、基本クライテリアＣｒ１および傾斜クライテリアＣｒ２を考慮に入れつつ、比表面積を拡大させる観点から凹部の形状を設定する。
第３実施形態のフィン１０は、第１実施形態と同様にアルミニウム合金材から形成されている。
フィン１０に形成された表面微細構造３０Ａは、フィン１０の全面に亘り、２種類の凹部パターンＰ１，Ｐ２（図１６））が重畳して形成されている。
なお、図１５は、第２実施形態の図１２よりも拡大率が大きい。
表面微細構造３０Ａは、フィン１０の表裏両面に形成されることが好ましい。
【００６３】
図１６（ａ）に示す第１凹部パターンＰ１は、所定の第１規模の多数の凹部３２から形成されている。
第１規模は、凹部３２の径、および幅に対する深さにより定められる。凹部３２の径は、４００μｍ未満であり、凹部３２の深さ／幅は０．１未満である。凹部３２の深さ／幅は、図２の基本クライテリアＣｒ１よりも小さい。凹部３２は所定のピッチで配列されていてもよいし、不規則に配置されていてもよい。
凹部３２は、例えば、研削工具を用いる機械加工により形成することができる。
【００６４】
図１６（ｂ）に示す第２凹部パターンＰ２は、多数の第２規模の凹部２２（図１５）から形成されている。第２規模は、第１規模よりも小さい。凹部２２の総数は上記の凹部３２の総数よりも多い。
第２規模は、凹部２２の径、および幅に対する深さにより定められる。
凹部２２は、第１凹部パターンＰ１の凹部３２を形成した後、第２実施形態で述べた条件でショットブラストを行うことにより形成することができる。
【００６５】
表面微細構造３０Ａは、第１凹部パターンＰ１と第２凹部パターンＰ２との双方が形成されることで、図１５に示すように複雑に入り組んだ形状を呈する。図１５は、大規模な（第１規模）１つの凹部３２の内周に、小規模な（第２規模）凹部２２が形成されている様子を示している。
このような凹部３２と凹部２２とにより、擬似的なフラクタル面が構成されることで、材の表面に対する投影面積を基準とする比表面積ｒが増大される。
ここで、凹部３２および凹部２２のいずれか一方が隙間なく密集していたり、一部重なり合うようにしてびっしりと形成されていたとしても、凹部３２および凹部２２による複合面の比表面積には及ばない。
幅に対する深さを極端に大きくすることは、比表面積を増大させる手立てとはなりうるが、凹部が深過ぎると、基本クライテリアＣｒ１および傾斜クライテリアＣｒ２に関する考察より、空気の巻き込みが生じることで親水性が阻害されてしまう。
【００６６】
本実施形態によれば、規模の異なる２種類の凹部３２，２２を形成することで、単一の規模の凹部を形成した場合よりも比表面積を増大させることができる。
上述の第２実施形態では、１０°以下の接触角を得るために比表面積１．１７が要請されるが（図１４（ｃ））、本実施形態では、比表面積が１．１４となる凹部２２を形成すれば（図１４（ｂ）の条件）、１０°以下の接触角を実現することができる。
図１７（ａ）（ｂ）は、接触角θが１０°以下の表面微細構造３０Ａに静置した水滴１４のイメージを示す。図１７（ｃ）は、参考として、接触角が８４°のアルミニウムの材表面に静置した水滴１４を示す。図１７（ｂ）と（ｃ）を比べると、大幅に親水化されていることがわかる。
【００６７】
凹部３２と凹部２２との規模の差は、任意に定めることができる。例えば、凹部３２の径と凹部２２の径とを２０:１程度に設定することが好ましい。また、凹部３２の深さと凹部２２の深さとを３:１程度に設定することが好ましい。
本実施形態では、幅４００μｍで深さ２０μｍの凹部３２が形成された材に、幅２０μｍで深さ８μｍの凹部２２（比表面積が１．１４となる図１４（ｂ）の条件）を形成することにより、上述のように、１０°以下の接触角を実現している。ここに記した凹部３２および凹部２２の幅、深さのそれぞれの差は、上記の２０：１、３：１に適合する。
なお、規模が相違する３種類以上の凹部を形成することも可能である。例えば、大規模、中規模、小規模の３種類の凹部を形成することもできる。
【００６８】
第３実施形態で述べた擬似フラクタル構造は、第１実施形態の表面微細構造１０Ａに適用することもできる。つまり、第１実施形態において、凹部１２に加えて、凹部１２とは規模が異なる凹部を形成することができる。
【００６９】
以上で説明した表面微細構造１０Ａ，２０Ａ，３０Ａは、ショットブラスト、金型プレスやローラー圧延による転写、切削、エッチング等、任意の手法により製造することができる。
【００７０】
上記以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更することが可能である。
本発明は、フィン１０の片面にのみ表面微細構造１０Ａ，２０Ａ，３０Ａを設けることを許容する。
また、本発明のフィン１０の形状は問わず、フィン１０は、コルゲート状（波板状）に形成されていてもよい。
また、フィンと同様に、水、氷に接触するおそれのあるチューブの表面に表面微細構造１０Ａ，２０Ａ，３０Ａを設けることも有用である。
さらには、本発明の表面微細構造１０Ａ，２０Ａ，３０Ａは、熱交換器のフィン以外にも、ぬれ性の制御が必要な各種の部材に適用することができる。
【００７１】
本発明における凹部には、ある程度の長さを有する溝も包含される。
【符号の説明】
【００７２】
１０      フィン
１０Ａ    表面微細構造
１１      表面
１２      凹部
１２Ｄ    幅
１２Ｐ    ピッチ
１２Ｗ    幅
１４      水滴
１５      空気
２０Ａ    表面微細構造
２２      凹部
３０Ａ    表面微細構造
３２      凹部
１０１    表面側
１０２    裏面側
１１Ａ〜１１Ｃ  表面
１２１    端縁
１２２    端縁
１２３    内壁
１２４    底部
２２３    内壁
Ｂ１      基本クライテリア帯
Ｂ２      傾斜クライテリア帯
Ｃｒ１    基本クライテリア
Ｃｒ２    傾斜クライテリア
Ｆ１      領域
Ｆ２      領域
ＦＡ      領域
ＦＢ      領域
Ｌ１      垂線
Ｐ１      第１凹部パターン
Ｐ２      第２凹部パターン
ｒ        比表面積
θ        接触角
θｅ      接触角
θｗ      傾斜角
【図３】
2015183926.tif 000007
【図１】
2015183926.tif 000008
【図２】
2015183926.tif 000009
【図４】
2015183926.tif 000010
【図５】
2015183926.tif 000011
【図６】
2015183926.tif 000012
【図７】
2015183926.tif 000013
【図８】
2015183926.tif 000014
【図９】
2015183926.tif 000015
【図１０】
2015183926.tif 000016
【図１１】
2015183926.tif 000017
【図１２】
2015183926.tif 000018
【図１３】
2015183926.tif 000019
【図１４】
2015183926.tif 000020
【図１５】
2015183926.tif 000021
【図１６】
2015183926.tif 000022
【図１７】
2015183926.tif 000023