(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一の蒸気凝縮表面を含む凝縮器システムであって、前記蒸気凝縮表面は前記蒸気凝縮表面の表面全域に分散された銀粒子を有し、前記銀粒子の平均直径は５０ｎｍから５μｍであり、そして
前記蒸気凝縮表面上の脱イオン水の接触角は７０〜９０°Ｆの温度で９０〜１１０°の間である、凝縮器システム。
【請求項２】
前記銀粒子はその酸化物である、請求項１に記載の凝縮器システム。
【請求項３】
前記接触角は１００〜１１０°の間にある、請求項１に記載の凝縮器システム。
【請求項４】
前記表面は銅である、請求項１に記載の凝縮器システム。
【請求項５】
前記銀粒子は単層の分子コーティングである、請求項１に記載の凝縮器システム。
【請求項６】
前記コーティングは約１μｍから２μｍの厚さを有する、請求項５に記載の凝縮器システム。
【請求項７】
前記コーティングは約１．１μｍの厚さを有する、請求項６に記載の凝縮器システム。
【請求項８】
蒸気凝縮表面に銀粒子を堆積させることを含む凝縮システムの製造方法であって、かつ前記銀粒子は約１μｍから約２μｍの厚さの層内に存在し、
前記銀粒子の平均直径は５０ｎｍから５μｍであり、そして
前記蒸気凝縮表面上の脱イオン水の接触角は７０〜９０°Ｆの温度で９０〜１１０°の間である、凝縮システムの製造方法。
【請求項９】
前記表面は約４０ｍＪ／ｍ２より少ない表面エネルギーを有する、請求項１に記載の凝縮器システム。
【請求項１０】
前記表面は約３０ｍＪ／ｍ２より少ない全表面エネルギーを有する、請求項９に記載の凝縮器システム。
【請求項１１】
全表面エネルギーは式γ＝γｈ＋γｄで算出され、式中、γｈは水素結合と双極子間相互作用に起因する表面エネルギーの成分であり、γｄは表面エネルギーの分散成分である、請求項９に記載の凝縮器システム。
【請求項１２】
銀の粒子及び高分子の自己集合性モノレイヤで被覆された少なくとも一の表面を含む基材であって、
前記銀粒子の平均直径は５０ｎｍから５μｍであり、そして
前記表面上の脱イオン水の接触角は７０〜９０°Ｆの温度で９０〜１１０°の間である、基材。
【請求項１３】
基材を銀の溶液に接触させて修飾された表面を形成しその後高分子の自己集合性モノレイヤを前記修飾された表面に適用することを含む方法であって、
前記修飾された表面は前記基材全域に分散された銀粒子を含み、
前記銀粒子の平均直径は５０ｎｍから５μｍであり、そして
前記表面上の脱イオン水の接触角は７０〜９０°Ｆの温度で９０〜１１０°の間である、方法。
【請求項１４】
前記基材は銅又は銅合金である、請求項１２に記載の基材又は請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記高分子は炭化水素又はフッ化炭素である、請求項１２に記載の基材又は請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
前記高分子は１−ドデカンチオールである、請求項１２に記載の基材又は請求項１３に記載の方法。
【請求項１７】
前記銀の溶液は硝酸銀である、請求項１３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２０１３年５月２日に出願された米国仮特許出願第６１／８１８，６３１号の利益を主張する。その内容は参照することにより本明細書に援用される。
【０００２】
本発明の開示は物質表面の性能を向上させるコーティングの分野に関する。具体的には、典型的な実施態様により、凝縮器の部品を被覆するのに有用な化学的なコーティング材料が提供される。
【背景技術】
【０００３】
従来技術において、凝縮、沸騰、凍結および解凍を含む、物質の状態変化に対する表面の効果については長い間、評価し研究されてきた。マイクロテクノロジーやナノテクノロジーの出現に伴い、表面の構造、組成、多孔性や質感などのより一層微細なスケールの係わり合いも評価され測定されてきた。
【発明の概要】
【０００４】
熱伝達表面上の、熱伝達表面からの及び熱伝達表面への、凝縮及び熱伝達の特性を変更するために、熱伝達表面に金属又は高分子に基づく多孔質コーティングが提供される。高分子に基づく粒子は５０ｎｍから５ミクロンの間の数平均直径を有することができ、前記高分子に基づく粒子の物理的性質を更に修飾するためか使用中の前記粒子の劣化に抵抗するよう化学的性質を変更するために追加の添加物を更に含みうる。金属粒子の表面は酸化物の形態であってもよく、熱伝達の特性を妨げないやり方で被覆されてもよい。前記粒子の表面の含水特性や吸湿特性をよりよく調整することも可能である。
【０００５】
例示的な実施態様においては、蒸気凝縮表面に多孔質のコーティングを形成するために、金属又は高分子に基づく粒子が蒸気凝縮表面の表面全域に分散されている少なくとも一の蒸気凝縮用表面を含む凝縮器システムが提供される。前記粒子は好ましくは平均サイズ分布がが±１００、±５０％又は±２０％の範囲内であって、平均サイズ範囲が５０ｎｍから５μｍ以内、又は１００ｎｍから３μｍ以内である。前記粒子は温度７０〜９０°Ｆ（華氏）の脱イオン水において９０〜１１０°、９０〜１６０°又は１００〜１６０°の間の蒸気凝縮表面上の静水接触角（ＳＷＣＡ）をもたらしうる。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
図１は異なる凝縮形態のスナップ写真画像の略図を示す。（Ａ）は膜状凝縮（ＦＷＣ）であり、（Ｂ）は滴状凝縮（ＤＷＣ）である。
【０００７】
図２は凝縮熱伝達試験装置の略図である。
【０００８】
図３は異なる硝酸銀溶液濃度で最初に表面処理された銅上に銀が自己集合したＳＥＭ画像である。（ａ）１ｍＭ、（ｂ）１０ｍＭ、（ｃ）１００ｍＭ、（ｄ）１００ｍＭで２０秒間、及び高倍率画像、（ｅ）１ｍＭと（ｆ）１００ｍＭ。
【０００９】
図４はＥＤＸ元素解析をグラフで示す。各々０．５２５と２．９８４ｋｅＶでフッ素、硫黄、銅及び銀のＫα及びＬαピークが示されている。近似原子比率はＡｇ：Ｏ＝１：１である。
【００１０】
図５は銅管（ドデカンチオールを被覆する前）上のＳＡＮＰのＳＷＣＡ測定の写真である。（ａ）１ｍＭ  Ａｇ溶液（９３°）、（ｂ）１０ｍＭ  Ａｇ溶液（６３°）、（ｃ）１００ｍＭ  Ａｇ溶液（５３°）及び（ｄ）１００ｍＭ  Ａｇ溶液（３１°）。括弧はＳＷＣＡを表している。
【００１１】
図６は銅管上にドデカンチオール（１ｗ／ｗ）ＳＡＭで被覆したＳＡＮＰのＳＷＣＡ測定の写真である。（ａ）１ｍＭ  Ａｇ溶液（１０１°）、（ｂ）１０ｍＭ  Ａｇ溶液（１０１°）、（ｃ）１００ｍＭ  Ａｇ溶液（１００°）及び（ｄ）１００ｍＭ  Ａｇ溶液（１２０°）。括弧はＷＣＡを表している。
【００１２】
図７は異なる表面―液体のＡＷＣＡ測定を示す。（ａ）処理しない表面―水、（ｂ）処理しない表面―ＣＨ２Ｉ２、（ｃ）ＳＡＭで被覆された表面―水、（ｄ）ＳＡＭで被覆された表面―ＣＨ２Ｉ２、（ｅ）ＳＡＮＰで被覆された表面―水、及び（ｆ）ＳＡＮＰで被覆された表面―ＣＨ２Ｉ２。
【００１３】
図８は外表面凝縮試験結果をグラフで示す。（ａ）ｑ“対Ｔｓｕｂ及び（ｂ）ｈ対Ｔｓｕｂ。
【００１４】
図９は各種管のビデオ記録のスナップ写真を示す。（ａ）処理しない表面―ＦＷＣ、（ｂ）ＳＡＭで被覆された表面―ＤＷＣとＦＷＣの混在、（ｃ）ＳＡＮＰ堆積表面―ＤＷＣ。スケールバーは１ｃｍを表す。
【００１５】
図１０はＴｓｕｂ〜５．２における前記ＳＡＭ酸化銅のＤＷＣのビデオを可視化したものである。凝縮液の直径は３．３ｍｍで高さ（ｍｍ）は（ａ）ｔ＊＝２．０６（ｔ＝３３ｍｓ）、（ｂ）ｔ＊＝４．１３（ｔ＝６６ｍｓ）、（ｃ）ｔ＊＝２９．１３（ｔ＝４６６ｍｓ）、及び（ｄ）ｔ＊＝３５．３８（ｔ＝５６６ｍｓ）である。
【００１６】
図１１はＴｓｕｂ〜５．２における前記ＳＡＭ酸化銅のＤＷＣのビデオを可視化したものである。凝縮液の直径は３．３ｍｍで高さ（ｍｍ）は（ａ）ｔ＊＝２．０６（ｔ＝３３ｍｓ）、（ｂ）ｔ＊＝４７．９（ｔ＝７６６ｍｓ）、（ｃ）ｔ＊＝５４．１（ｔ＝８６６ｍｓ）、及び（ｄ）ｔ＊＝５６．２８（ｔ＝９００ｍｓ）である。
【００１７】
図１２はＳＡＮＰ管の５００時間試験運転における長期性能をグラフで表現したものである。（ａ）ｑ“対Ｔｓｕｂ及び（ｂ）ｈ対Ｔｓｕｂ。
【００１８】
図１３は銀で被覆した表面の異なる時間枠での空間的な凝縮液（外形）分布と対応する凝縮液の数である。その直径を推定するために各凝縮液の外形をビデオ記録の映像から取得した。その後、凝縮液の周囲をＩｍａｇｅＪ解析によって推定した。静止画像が撮られたのは（ａ）４．２秒、（ｂ）４．９秒、（ｃ）５．３秒及び（ｄ）５．８秒においてであった。数の棒グラフ（ｅ〜ｈ）は静止画像（ａ）〜（ｄ）から推定された。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
ここに述べるのはコーティング材、コーティング材の製造方法、基材を被覆する方法、コーティング材で被覆された表面（例えば凝縮器表面）及びここに開示された方法で製造された被覆された品物の実施態様である。表面に膜を形成するのではなく、ここに述べるように、水が被覆された面に液滴として生じる。
【００２０】
実例となる実施態様において、金属基材（すなわち遷移金属）のコーティングには結合しているか埋め込まれている金属粒子及び少なくとも一層の高分子の層が含まれる。一実施態様においては、金属基材には銅、亜鉛、ニッケル、鉄、アルミニウム及びそれらの合金が含まれる。一実施態様においては、前記金属粒子はナノ粒子でありうる。一実施態様においては、前記金属粒子は２００ｎｍから３μｍの平均サイズでありうる。前記金属基材は処理された後前記金属粒子（例えば銀溶液、例えばＡｇＮＯ３）を含む水溶液に浸漬されうる。一実施態様においては、金属粒子（例えば銀又は金）は金属基材の表面を被覆しかつ／又は金属基材の表面内に埋め込まれる。一実施態様においては、高分子又は高分子の組み合わせが処理された金属の表面を被覆する。従って、高分子又は高分子の組み合わせが金属粒子が埋め込まれたか結合した表面を被覆する。一実施態様においては、前記表面は内側の表面、外側の表面又は内側と外側の両表面である。一実施態様においては、銅又は銅合金の基材は前記表面に結合し更に高分子で被覆された銀の自己集合したナノ粒子を含む。
【００２１】
高分子は堅牢な凝縮表面を提供するために湿潤環境に対して安定でなければならない。高分子は親水性と疎水性の領域によって変化する可能性があり、フッ素化ポリマー（例えばハロゲン原子の数の少なくとも２５％をフッ素組成としたハロゲン化ポリマーのパーフルオロ化ポリマー）、オレフィンポリマー、スルホン化炭化水素ポリマー、ホスホン酸化炭化水素ポリマー、シリコーンポリマー等を含みうる。特定の高分子の中では、ポリ（フェニレンスルフィド）、ポリテトラフルオロエチレン等が知られている。本発明の技術の実現に有用な他の高分子の種類には非限定的な例示としてシリコーンポリマー、ポリシロキサン等が含まれうる。
【００２２】
実例となる実施態様において、表面上のコーティングの厚さは約２μｍ、約１．９μｍ、約１．８μｍ、約１．７μｍ、約１．６μｍ、約１．５μｍ、約１．４μｍ、約１．３μ、約１．２μｍ、約１．１μｍ、約１μｍ、約９７５ｎｍ、約９５０ｎｍ、約９２５ｎｍ、約９００ｎｍ、約８７５ｎｍ、約８５０ｎｍ、約８２５ｎｍ、約８００ｎｍ、約７７５ｎｍ、約７５０ｎｍ、約７２５ｎｍ又は約７００ｎｍより薄い。
【００２３】
適切に進んだ「滴状」凝縮（ＤＷＣ）により、凝縮熱伝達係数（ＣＨＴＣ）が従来の「膜状」凝縮（ＦＷＣ）のＣＨＴＣに比べ実質的に向上することが知られている（Ａ．  Ｋ．  Ｄａｓ，  Ｈ．  Ｐ．  Ｋｉｌｔｙ，  Ｍａｒｔｏ，  ＡＳＭＥ  Ｊ．  Ｈｅａｔ  Ｔｒａｎｓｆｅｒ  ７，  １０９（２０００））。ＦＷＣモードを示す図１（ａ）に略図で示されるように、熱伝導率の劣る凝縮液の占める比率が多くなり、効率の良い熱伝達の通路を妨げている。液膜の存在が表面の再生と凝縮液の核生成を妨げている。
【００２４】
これに対して、ＤＷＣモードでは図１（ｂ）に熱伝達表面の上で液滴／小液滴が不連続に崩壊しているのが示される。滴状形態の凝縮水は転がり落ち表面を掃いていく間に近隣のまだ凝縮液となっていない液滴を併合する。ＤＷＣモードは凝縮物の核生成の連続サイクルをもたらす。実際的に、ＤＷＣモードは凝縮液の脱離の頻度を増加させ、そのことが熱伝達表面の凝縮液による前記熱抵抗の効果を減少させる。
【００２５】
界面張力を強めた疎水性コーティングは近隣の小さな凝縮液を合体させ小液滴の形状の凝縮液にする。研究は液滴法で測定される、水接触角（ＷＣＡ）が大きい疎水性の表面／コーティングの製造に着目した。例えば、低い表面エネルギーを有する有機コーティング材は、被覆された表面の疎水機能によりＤＷＣが促進すると想定されるので、かなり注目を集めた。超疎水ＷＣＡ（＞１５０°）に起因して、試験用の管の軸全体に多数の小滴が見られた。しかし、高分子に基づくコーティング上の凝縮液はほとんど転がり落ちずにそれらが限界の半径になるまでその表面上にとどまり続けた。
【００２６】
疎水性コーティングを伴う多孔質表面はそのＷＣＡを超疎水体制に段階的に高め転がり落ち運動を示すようになる（Ｂ．  Ｊ．  Ｚｈａｎｇ，  Ｋ．  Ｊ．  Ｋｉｍ，  Ｈ．  Ｋ．  Ｙｏｏｎ，  Ｂｉｏｉｎｓｐ．  Ｂｉｏｍｉｍ．  ７，  ０３６０１１（２０１２）．  Ｃ．  Ｙ．  Ｌｅｅ，  Ｂ．  Ｊ．  Ｚｈａｎｇ，  Ｊ．  Ｙ．  Ｐａｒｋ，  Ｋ．  Ｊ．  Ｋｉｍ，  Ｉｎｔ．  Ｊ．  Ｈｅａｔ  Ｍａｓｓ  Ｔｒａｎｓｆｅｒ  ５５，  ２１５１  （２０１２））。凝縮の相転換の間、蒸気の塊が凝縮表面に衝突する。多数の凝縮液が凝縮面を満たす。結果的に、凝縮液の液滴には追加の抗力が働き、表面により長く滞留することになる。一度凝縮面が濡れると、凝縮面から離脱するためには追加の推進力が必要となる（Ｆ．  Ｃ．  Ｗａｎｇ，  Ｆ．  Ｙａｎｇ，  Ｙ．  Ｐ．  Ｚｈａｏ，  Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．  Ｌｅｔｔ．  ９８，  ０５３１１２（２０１１））。
【００２７】
よって、コーティング及び被覆された表面はここで述べるようにＤＷＣの増加を達成する。銀のナノ粒子が堆積したコーティングは（ｉ）低い表面エネルギーを有し、（ｉｉ）液体の抗力を減じ、（ｉｉｉ）凝縮のための銀のナノ粒子を最適化できる。これらの特徴により効果的なＤＷＣが促進され核生成部位を増加し凝縮液の離脱頻度を高めることにより実質的なＤＷＣ増大に至る。
【００２８】
前記金属粒子はそれらが使用される際の蒸気や液体の作動温度範囲（物質のタイプにより約２０℃から２８０℃）において固体粒子を形成し維持できるいかなる金属又は半金属であってもよい。金属の完全酸化に抵抗する表面上の薄い酸化物コーティングを形成する能力が望ましいが必須ではない。そのようなバックグランドを考慮すると、例えば、アルミニウム、クロム、銅、クロム鋼、ステンレス鋼、鉄、錫、チタン又はそれらの組み合わせ等の金属／半金属及びそれらの合金は、様々な凝縮の応用に使われている管／管類及びフィンの内側、外側又は内側と外側の両方をコーティングすることができる。
【００２９】
前述のとおり、前記粒子の寸法の範囲は５０ｎｍから５μｍの平均寸法範囲にわたって変化しうる。より小さい又はより大きい平均直径の粒子の両方及び平均のものは効率を変化させるのに使うことができる。
【００３０】
前記粒子を凝縮器板の表面に凝縮器表面への前記粒子の高分子表面の融合によって結合させてもよく、前記粒子上にもたらされたコーティングは前記粒子を凝縮器板の表面に結合させるか（前記コーティングは前記技術の利点を提供する前記粒子への表面の特性を提供しなければならない）その表面に前記粒子を接着させるために凝縮器板の上に薄い接着剤層が存在していてもよい。
【００３１】
一般的だが排他的ではない属性、寸法、パラメター及びその中で本発明の技術が論じられうる明細書の非限定的な概念の範囲内で議論されうる多くの種類の一般的な特性がある。コーティングの厚さは類似の範囲にあってもよいが、小さな粒子においては、多粒子の層の厚さがより望ましく、一方大きな直径の粒子（例えば７５０ｎｍから５μｍ）では単一粒子層の厚さがより有効でありうる。図３に示すように、前記ＳＥＭ画像は１〜２μｍの粒子コーティングの厚さを示している。
【００３２】
コーティングはここに記載されるような金属、半金属又は合金基材の単層又は多粒子層であってもよい。コーティングにはシラン又はチオール末端基を含む高分子又は材料を含むことができる。使用されうる一のコーティングはチオール（−ＳＨ）基を有する飽和炭素骨格からなる１−ドデカンチオールである。エタノール溶液中では、１−ドデカンチオールは他の粒子と重合しない。ひとたび前記溶液が金属基材にスプレーされると、チオール基は金属基材、特に前記基材上に被覆されるか埋め込まれた金属粒子（例えば銀又は金）の水素結合部位と相互作用しうる。個々のモノマー（例えば１−ドデカンチオール）は化学的に（共有結合性相互作用によって）相互に作用すると共に互いに平行に整列するので、単層構造の分子レベルのコーティングを形成する。特定の物質、組成及び粒子寸法の場合、単層構造の分子のコーティングの厚さは約１μｍかそれより薄い。実施態様において、コーティングの厚さは約７５０ｎｍから約１μｍ、約８００ｎｍから約１μｍ、約８２５ｎｍから約１μｍ、約８５０ｎｍから約１μｍ、約８７５ｎｍから約１μｍ、約９００ｎｍから約１μｍ、約９２５ｎｍから約１μｍ、約９５０ｎｍから約１μｍ又は約９７５ｎｍから約１μｍである。ここで述べた約１μｍより薄いか約１μｍのコーティングは耐久性を維持している。
【００３３】
疎水性のコーティング（１−ドデカンチオール）は高分子に基づくものに限定されない。表面の濡れ性を制御するために水酸基機能化コーティング（メルカプトに基づく）を使うことができる。滴状凝縮に利用するために親水性は、凝縮に役立たないであろうので、考慮する必要はない。
【００３４】
開示の態様には被覆された材料の製造方法も含まれる。実施態様において、金属基材を金属粒子の溶液と接触させる。実施態様において、その接触は液体金属の溶液に基材を浸漬することである。実施態様において、金属基材は銅又は銅合金である。実施態様において、金属粒子溶液は銀の溶液である。実施態様において、銀溶液は硝酸銀である。実施態様において、硝酸銀の溶液は約１から約１００ｍＭ、約１０から約１００ｍＭ、約２０から約１００ｍＭ、約２５から約１００ｍＭ、約３０から約１００ｍＭ、約４０から約１００ｍＭ、約５０から約１００ｍＭ、約６０から約１００ｍＭ、約７０から約１００ｍＭ、約７５から約１００ｍＭ、約１から約５０ｍＭ、約１から約７５ｍＭ、約１０から約５０ｍＭである。
【００３５】
銀溶液中のナノ粒子は約２００ｎｍから約３μｍでありうる。実施態様において、基材に堆積され、被覆され又は埋め込まれた銀のナノ粒子は約２００ｎｍから約３μｍ、３００ｎｍから約３μｍ、４００ｎｍから約３μｍ、５００ｎｍから約３μｍ、６００ｎｍから約３μｍ、７００ｎｍから約３μｍ、８００ｎｍから約３μｍ、９００ｎｍから約３μｍ、１μｍから約３μｍ、２μｍから約３μｍ、約２００ｎｍから約２μｍ、３００ｎｍから約２μｍ、４００ｎｍから約２μｍ、５００ｎｍから約２μｍ、６００ｎｍから約２μｍ、７００ｎｍから約２μｍ、８００ｎｍから約２μｍ、９００ｎｍから約２μｍ、１μｍから約２μｍ、約２００ｎｍから約１μｍ、３００ｎｍから約１μｍ、４００ｎｍから約１μｍ、５００ｎｍから約１μｍ、６００ｎｍから約１μｍ、７００ｎｍから約１μｍ、８００ｎｍから約１μｍ又は９００ｎｍから約１μｍで提供されうる。
【００３６】
実例となる実施態様においては、銀粒子は基材の表面に埋め込まれる。実施態様において、銀粒子は基材上に集まるとともに、基材の表面の中に埋め込まれる。銀粒子はコーティング（例えばシラン又はチオール末端基を含むコーティング）の結合基盤を提供する。実施態様において、基材の表面上にかつ／又は表面中に埋め込まれた銀の領域は強く水酸基化され、自己集合性モノレイヤと共有結合することができる。実施態様において、自己集合性モノレイヤは炭化水素又はフッ化炭素である。実施態様において、炭化水素又はフッ化炭素はシランに基づくかチオール末端基を含んでいる。
【００３７】
実施態様において、自己集合性モノレイヤは１−ドデカンチオールである。実施態様において、銅又は銅合金の基材は少なくとも一の表面上に集まった又は前記表面中に埋め込まれた銀粒子を含み、さらに１−ドデカンチオールの自己集合性モノレイヤを含む。実施態様において、被覆された表面は約９０°から約１１５°、約９５°から約１１５°、約１００°から約１１５°、約１０５°から約１１５°、約９０°から約１１０°、約９５°から約１１０°、約１００°から約１１０°、約１０１°から約１１０°、約１０２°から約１１０°、約１０３°から約１１０°、約１０４°から約１１０°、約１０５°から約１１０°、約１０６°から約１１０°、約１０７°から約１１０°、約１０８°から約１１０°又は約１０９°から約１１０°の水接触角をもたらす。
【００３８】
実施態様において、ここで述べられたように被覆された表面は以下の凝縮液の離脱の周波数を含む。それは、約０．５Ｈｚから約２．０Ｈｚ、０．５Ｈｚから約１．９Ｈｚ、０．５Ｈｚから約１．８Ｈｚ、０．５Ｈｚから約１．７Ｈｚ、０．５Ｈｚから約１．６Ｈｚ、０．５Ｈｚから約１．５Ｈｚ、約０．５Ｈｚから約１．４Ｈｚ、約０．５Ｈｚから約１．３Ｈｚ、約０．５Ｈｚから約１．２Ｈｚ、約０．５Ｈｚから約１．１Ｈｚ、０．６Ｈｚから約１．５Ｈｚ、約０．６Ｈｚから約１．４Ｈｚ、約０．６Ｈｚから約１．３Ｈｚ、約０．６Ｈｚから約１．２Ｈｚ、約０．６Ｈｚから約１．１Ｈｚ、０．７Ｈｚから約１．５Ｈｚ、約０．７Ｈｚから約１．４Ｈｚ、約０．７Ｈｚから約１．３Ｈｚ、約０．７Ｈｚから約１．２Ｈｚ、約０．７Ｈｚから約１．１Ｈｚ、０．８Ｈｚから約１．５Ｈｚ、約０．８Ｈｚから約１．４Ｈｚ、約０．８Ｈｚから約１．３Ｈｚ、約０．８Ｈｚから約１．２Ｈｚ、約０．８Ｈｚから約１．１Ｈｚ、０．９Ｈｚから約１．５Ｈｚ、約０．９Ｈｚから約１．４Ｈｚ、約０．９Ｈｚから約１．３Ｈｚ、約０．９Ｈｚから約１．２Ｈｚ、約０．９Ｈｚから約１．１Ｈｚ、約１Ｈｚから約２Ｈｚ、約１Ｈｚから約１．９Ｈｚ、約１Ｈｚから約１．８Ｈｚ、約１Ｈｚから約１．７Ｈｚ、約１Ｈｚから約１．６Ｈｚ、約１Ｈｚから約１．５Ｈｚ、約１Ｈｚから約１．４Ｈｚ、約１Ｈｚから約１．３Ｈｚ、約１Ｈｚから約１．２Ｈｚ又は約１Ｈｚから約１．１Ｈｚである。
【００３９】
凝縮は物質の物理的状態の気相から液相への変化であり、気化の逆である。凝縮器は多様な技術分野に使用される。それらは空気から、特定の蒸気、特には水蒸気を捕捉するために使うことができ、発電システム、例えば核反応炉及び石炭燃焼発電機等で蒸気を凝縮させる。凝縮システムは動力付きであっても受動的であってもよい。各種タイプの凝縮器の中にはエアーウエル又はエアリアルウエル生成機が含まれ、それは空気から水分の凝縮を促進することによって水を集める構造体又は装置である。エアーウエルの設計は多種あるがもっとも簡単な設計は全く受動的なものであり外部エネルギー源は必要とせず可動部品はあってもわずかしかない。
【００４０】
３つの主要な設計がエアーウエルに使われており、高質量、放射及び能動的である。高質量エアーウエルは、２０世紀初期に使われたがそのアプローチは失敗に終わっている。２０世紀後半からの前方低質量の放射コレクターはより成功したものであることが立証された。能動的コレクターは除湿機と同じ方法で水を集め、その設計はうまくいくが、エネルギー源を必要とし、特殊な環境以外では経済的ではない。能動的コンデンサーの必要エネルギーを最小にするか、再生エネルギー源を有効利用できる新規で革新的な設計が求められる。
【００４１】
羽根、翼、コイル、管、フィン又は他の凝縮器表面は金属、合金、合成材、セラミック、金属酸化物及び当該技術分野で知られているこれらの類似物であってもよい。これらの羽根、翼、コイル、管、フィン又は他の凝縮器表面はここに述べられたコーティングで被覆することができる。
【００４２】
ここで開示された被覆された表面は熱伝達物質のエネルギー効率を増加させる（例えば凝縮に基づくシステム）。例えば、被覆された表面の実施態様では、水と物質（例えば凝縮器表面）の相互作用の仕方を変えることで熱係数を上げることができる。表面に膜を形成する代わりに、水はここで述べられたように被覆された表面（例えば凝縮器コイル）上に小液滴を形成する。小液滴はここに述べられたような被覆された表面をすばやく転がり落ち、その結果新しい水の小液滴が前記表面上に形成されるようになる。従って小液滴の形成と収集のサイクルがより素早く行われる。かくして熱をより効率的に除去することが可能となる。ここに述べられた実施態様では、被覆された表面の熱係数は被覆されていない表面より１００から１５０％大きい。
【００４３】
開示されたコーティングはさらに凝縮器のフィン、例えば空調設備に使われる凝縮器のフィン等も被覆することができる。例えば、凝縮器のフィンは空調機器の室外部分の圧縮機の近くに配置されうる。空調機器用フィンは熱をすばやく分散させるために空調機器から熱を取り去るのを補助する凝縮器の一部品でありうる。ここに開示されるように被覆された少なくとも一の蒸気凝縮表面を有する凝縮器は各種の空調設備に含まれうる。例えば、産業用の空調機器、消費者用（例えば住宅用）空調機器、自動車用空調機器、航空機用空調機器等に含まれうる。実施態様では、被覆されたフィンから出た水は底に集まり空調機器の外に吹き出すことはない。
【００４４】
実施態様では、ここで論じた少なくとも一の被覆された蒸気凝縮表面を含む凝縮器システムにおいては、その表面の全表面エネルギーは次の値より低い。約２０ｍＪ／ｍ２から約４０ｍＪ／ｍ２、２５ｍＪ／ｍ２から約４０ｍＪ／ｍ２、２６ｍＪ／ｍ２から約４０ｍＪ／ｍ２、２７ｍＪ／ｍ２から約４０ｍＪ／ｍ２、２８ｍＪ／ｍ２から約４０ｍＪ／ｍ２、２９ｍＪ／ｍ２から約４０ｍＪ／ｍ２、３０ｍＪ／ｍ２から約４０ｍＪ／ｍ２、約２０ｍＪ／ｍ２から約３５ｍＪ／ｍ２、約２５ｍＪ／ｍ２から約３５ｍＪ／ｍ２、約２６ｍＪ／ｍ２から約３５ｍＪ／ｍ２、約２７ｍＪ／ｍ２から約３５ｍＪ／ｍ２、約２８ｍＪ／ｍ２から約３５ｍＪ／ｍ２、約２９ｍＪ／ｍ２から約３５ｍＪ／ｍ２、約３０ｍＪ／ｍ２から約３５ｍＪ／ｍ２、約２０ｍＪ／ｍ２から約３０ｍＪ／ｍ２、約２５ｍＪ／ｍ２から約３０ｍＪ／ｍ２、約２６ｍＪ／ｍ２から約３０ｍＪ／ｍ２、約２７ｍＪ／ｍ２から約３０ｍＪ／ｍ２、約２８ｍＪ／ｍ２から約３０ｍＪ／ｍ２、約２９ｍＪ／ｍ２から約３０ｍＪ／ｍ２、約２０ｍＪ／ｍ２から約２９ｍＪ／ｍ２、２５ｍＪ／ｍ２から約２９ｍＪ／ｍ２、２６ｍＪ／ｍ２から約２９ｍＪ／ｍ２、２７ｍＪ／ｍ２から約２９ｍＪ／ｍ２、２８ｍＪ／ｍ２から約２９ｍＪ／ｍ２、約２０ｍＪ／ｍ２から約２８ｍＪ／ｍ２、２５ｍＪ／ｍ２から約２８ｍＪ／ｍ２、２６ｍＪ／ｍ２から約２８ｍＪ／ｍ２又は２７ｍＪ／ｍ２から約２８ｍＪ／ｍ２。実施態様によれば、ここで議論された少なくとも一のコーティングされた蒸気凝縮表面を含む凝縮器システムにおいては、その表面の全表面エネルギーは次の値より低い。約４０ｍＪ／ｍ２、約３９ｍＪ／ｍ２、約３８ｍＪ／ｍ２、約３７ｍＪ／ｍ２、約３６ｍＪ／ｍ２、約３５ｍＪ／ｍ２、約３４ｍＪ／ｍ２、約３３ｍＪ／ｍ２、約３２ｍＪ／ｍ２、約３１ｍＪ／ｍ２、約３０ｍＪ／ｍ２、約２９ｍＪ／ｍ２又は約２８ｍＪ／ｍ２。実施態様において、前記全表面エネルギーは式γ＝γｈ＋γｄで算出できる。式中、γｈは表面エネルギーのうちの水素結合と双極子相互作用による成分であり、γｄは表面エネルギーのうちの分散成分である。実施態様において、
【数１】
0006538651.tif 000002
【００４５】
実施態様において、上記の全エネルギーを有する表面上のナノ粒子のコーティングは自己集合している。さらにもう一つの実施態様において、凝縮器の部品（例えばフィン、コイル等）は銀のナノ粒子で被覆されかつ／又は表面内に埋め込まれた銀のナノ粒子を有し更に高分子で被覆される。実施態様において、高分子コーティングは炭化水素又はフッ化炭素のポリマーである。実施態様において、前記コーティングは１−ドデカンチオールである。
【００４６】
ここで論じられた少なくとも一の被覆された蒸気凝縮面を有する凝縮器システムは多様に応用される。そのような凝縮器システムは除湿、脱塩、発電所、冷凍、水生成及び化学分離プロセスで利用できる。例えば、塩水脱塩化システムは一般的にはａ）水蒸気を作るために塩水を蒸発する蒸発器及びｂ）水蒸気を凝縮させる凝縮器を含む。実施態様において、塩水脱塩化システムは凝縮器−蒸発器間の室内に水平又は垂直のいずれかで配置された管（例えばステンレス鋼）を含む。水を蒸発させるエネルギーは脱着される水蒸気の膜状又は滴状の凝縮からえることができる。塩水脱塩化システムは本明細書の開示に従って被覆された少なくとも一の蒸気凝縮表面を含む凝縮システムを含みうる。他の実施態様において、塩水脱塩化は供給水を凝縮器−蒸発器間の管の外側で（例えば熱交換器の中で）事前に加熱できる蒸気圧縮を含む。加熱（例えば沸騰）後放出された蒸気は圧縮され凝縮器−蒸発器間の管の中で凝縮に導かれる。そのような管には本明細書の開示に従ったものでありうる。
【００４７】
ここに開示された凝縮器システムはまた蒸気発電（例えば空気―蒸気、純蒸気等）に利用できる。例えば、ここに開示された凝縮器システムは蒸気を動力とするタービンにおいて、蒸気及び凝縮できないガスを含むタービンの排気ガスを導入する排気ガス入口部を含めることができる。他の実施態様では、地熱蒸気タービンがここに開示された凝縮器システムを含む。例えば、地熱蒸気をメイン凝縮器からの凝縮水に直接接触させることで地熱蒸気を実質的に凝縮していないガスを含まない地熱水に凝縮するために、ここに開示された凝縮器システムを蒸気ジェットエジェクターにつなぐことができる。他の実施態様では、低圧の凝縮蒸気タービンがここに開示された凝縮器システムを構成要素として含む。凝縮器は排気を水に戻すので、蒸気の凝縮及び蒸気の気体から水への変化により不完全真空が生じ、この真空により当該低圧のタービンの最終段階を経て排気が吸引される。これらの例示はここに開示された凝縮器システムとしてこれらに限られるものではなく、多くの蒸気発電機に使われうるものである。
【００４８】
実施態様において、凝縮器の部品は液体金属の溶液が少なくとも一の凝縮器の部品の表面に接触して形成される。実施態様において、前記凝縮器の部品は管、コイル、フィン又は羽根である。実施態様において、前記液体金属の溶液は銀の溶液である。実施態様において、前記銀の溶液は硝酸銀である。実施態様において、前記接触は前記金属の溶液中に浸漬することである。実施態様において、前記接触は凝縮器の部品の少なくとも一の表面に金属の溶液をスプレーすることである。この方法はさらに前記の処理された凝縮器の部品上に高分子の自己集合性モノレイヤを堆積させることを含む。前記高分子は炭化水素ポリマー又はフッ化炭素ポリマーでありうる。実施態様において、前記自己集合性モノレイヤは１−ドデカンチオールでありうる。
【００４９】
さらなる実施態様にはここに開示された凝縮器システムを製造する方法が含まれる。実例となる実施態様において、少なくとも一の蒸気凝縮表面はエッチングされている。該表面は脱イオン水で最初に洗浄されその後圧縮空気で乾燥される。一旦乾燥され、前記表面は酸溶液に５分間漬けられる。実施態様において、前記酸溶液は７０重量％の硝酸と１Ｍの硫酸の１：１（重量比）混合液を含む。
【実施例】
【００５０】
被覆した銅合金の管をここに開示した方法に従って製造し表面の特性を調べた。
【００５１】
銀のナノ粒子の堆積：外径１５．９ｍｍで厚さ０．８１３ｍｍの１２２本の銅合金管を最初に金剛砂のサンドペーパー（＃３２０）を使い続いて金属たわしを使って表面処理を行った。前記管を脱イオン水とエタノールで充分に洗浄処理を行った。水性の硝酸銀の原液を準備するため、硝酸銀（９９．９％金属ベース、Ａｌｆａ  Ａｅｓａｒ社）を脱イオン水中で異なる濃度（１〜１００ｍＭ）で溶解した。銀の自己集合したナノ粒子を湿式化学プロセスにより導入した。銀のナノ粒子の拡張性は、自己集合プロセスによって規定され、硝酸銀の濃度と浸漬時間に比例した。銀の自己集合したナノ粒子（ＳＡＮＰ）は電界放射型走査電子顕微鏡法（ＦＥ−ＳＥＭ）及びエネルギー分散型Ｘ線（ＥＤＸ）で調べた。
【００５２】
水接触角（ＷＣＡ）の計測：前記表面上の液体（すなわち水、ヨウ化メチル）の接触角を室温で±０．５°の精度のＣＡＭ−１００タイプの接触角装置（ＫＳＶ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ、フィンランド）により濡れ特性を評価するために計測した。前記表面上に約５μｌの体積の液滴を導入するために通常の注射器を使用した。
【００５３】
表面エネルギーの計測：異なる表面処理したコーティングの表面エネルギーを二つの異なる流体：水（Ｈ２Ｏ）及びヨウ化メチレン（ＣＨ２Ｉ２）を用いた前記ＷＣＡ計測から推定した。
【００５４】
凝縮熱伝達実験：いくつかの表面処理した管を図２に示す実験装置を使った外部凝縮試験に使った。試験装置は三つの主要部分：テストセクション、冷却ループ及びボイラーで構成された。テストセクションは三本の凝縮管を収容する凝縮室、観察窓、配管付バルブ及び計測器具を構成要素として含む。冷却ループはチラー／サーキュレータ（Ａｆｆｉｎｉｔｙ，ＲＷＥ−０１２Ｋ）から成り、その出口の温度を実験時の値の±１℃以内に保つことができる。前記ボイラーは水没させた加熱コイルによって蒸気を発生した。ヒーター（Ａｄｖａｎｔａｇｅ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｅｎｔｒａ  ＳＫ−１０３５ＨＥ）によって制御された高温の圧縮された水は前記ボイラーの加熱コイルの内側を流れ蒸気を発生させた。冷却液の入口及び出口の温度は抵抗温度検出器（ＲＴＤｓ，ＯＭＥＧＡ，クラスＡ、±０．３５℃）で計測し、前記室及び蒸気温度はＴ型のサーモカップル（±０．５℃）で計測した。前記室及びボイラーの圧力は圧力変換器（ＡＳＴ，ＡＳＴ４３００，０−３４５ｋＰａ、±０．５℃）で計測した。冷却液の流量はロタメーター（Ｂｌｕｅ  ＆  Ｗｈｉｔｅ，  Ｆ−４４０，０−５ＧＰＭ，原寸の±４％）で計測した。
【００５５】
試験運転の前に凝縮室を水が減圧で沸騰できるまで充分に排気した。凝縮できないガスは大気に放出することができる。前記システムが安定状態に到達した時点で、関連熱伝達データを取得した。データ取得の間、圧力及び冷却液の入口温度は９７．８〜６７．５ｋＰａ及び５０〜９０℃に制御した。
【００５６】
表面の特徴付け：異なる濃度で製造したＳＡＮＰはＦＥ−ＳＥＭ及びＥＤＸで調べた。図３（ａ）〜（ｄ）に示されるように、個々のＳＡＮＰの大きさは原液の濃度と浸漬時間を変更することによって拡張可能であった。個々のナノ粒子は特徴ある結晶面を有し、そのＳＡＮＰの平均寸法は２００ｎｍ〜３μｍであった。
【００５７】
元素分析のために図４に実行したＥＤＸマッピングを示す。多くを占める元素はフッ素、硫黄、銅及び銀からなる。水性の硝酸銀溶液には銀と硝酸がイオン化されていた。個々のイオンは銅と作用して最終的に銀に結晶化した。
【化１】
0006538651.tif 000003
【００５８】
ＷＣＡ計測：表面の濡れは表面の粗さと表面エネルギーに密接に関係する。ＳＡＮＰの拡張性は図５に静的水接触角（ＳＷＣＡ）として可視化された表面の濡れに影響を与える。基準表面（処理されていない銅の表面）は約７７°のＳＷＣＡを有する。ＳＡＮＰの濃度が高くなると（１〜１００ｍＭ）、前記ＳＷＣＡは減少した。濡れ現象の増大は親水的ＳＡＮＰ表面プロフィールによるものであり、結果としてウェンチェル（Ｗｅｎｚｅｌ）効果をもたらしたと推測される。
【００５９】
図３に示すように、前記基材上の拡張可能なナノ又はミクロな突出は疎水性のコーティングによってウェンチェル（濡れやすい）表面からカッシ−バックスター（Ｃａｓｓｉｅ−Ｂａｘｔｅｒ）（濡れにくい）表面への表面の濡れ転移をもたらすことができる。一般に疎水性のコーティングは液体が表面形状の中に侵入するのを阻止し表面粗さの中に非凝縮性のガスを閉じ込める。ドデカンチオールは疎水性の炭素骨格からなり、表面エネルギーを小さくして疎水性に導く。ドデカンチオール（１ｗ／ｗ）をエタノールに溶解し、数回のスプレーにより被覆する。
【００６０】
図６に示すように、疎水性コーティングはＳＷＣＡを劇的に増加させた（≧１００°）。この結果は疎水性のコーティングが表面粗さの中に液体が侵入するのを妨げていることを意味する。疎水性のコーティングはガスを取り込むことでウェンチェル（濡れやすい）表面からカッシ−バックスター（濡れにくい）表面への表面の濡れ転移をもたらす。ほとんどの表面が１００°のＳＷＣＡを示している。この現象は図３に示された表面プロフィールに関係していると推測された。既定の表面領域のミクロな突出の密度は銀の濃度に伴って増加した。しかしながら、ミクロな突起のアスペクト比は暴露時間が増加するまで有意に増大されない。構造化された表面のＳＷＣＡを改善するためには、下部構造のアスペクト比が鍵であると推測された（Ｂ．Ｊ．Ｚｈａｎｇ，Ｋ．Ｊ．Ｋｉｍ，Ｈ．Ｋ．Ｙｏｏｎ，Ｂｉｏｉｎｓｐ．Ｂｉｏｍｉｍ．７，０３６０１１（２０１２）；Ｃ．Ｙ．Ｌｅｅ，Ｂ．Ｊ．Ｚｈａｎｇ，Ｊ．Ｙ．Ｐａｒｋ，Ｋ．Ｊ．Ｋｉｍ，Ｉｎｔ．Ｊ．Ｈｅａｔ  Ｍａｓｓ  Ｔｒａｎｓｆｅｒ  ５５，２１５１（２０１２））。
【００６１】
表面エネルギーの計測：疎水性の表面をえるためには表面粗さと低い表面エネルギーが重要なファクターであった。ＳＡＮＰの表面エネルギーはオーエン（Ｏｗｅｎ）とウエンズ（Ｗｅｎｄｔ）によって示された式を使って推定した（Ｄ．Ｋ．Ｏｗｅｎ，Ｒ．Ｃ．Ｗｅｎｄｔ，Ａｐｐｌ．Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｓｃｉ．１３，１７４１（１９６７））。
【数２】
0006538651.tif 000004
式中、γは全表面エネルギーであり、γｈ、は水素結合と双極子間相互作用に起因する表面エネルギーの成分であり、γｄ、は表面エネルギーの分散成分である。
【００６２】
図７に示すように、各種表面（単なる銅の表面と銅の自己集合性モノレイヤの表面）の前記ＳＷＣＡが比較のために示されている。水に対しては、広範囲のＳＷＣＡ（７７°〜１５７°）を生じた（図７（ａ）〜（ｃ））。ヨウ化エチレンに対しては、ＳＷＣＡは水に対しほとんど半分（３３°〜７５°）であった（図７（ｄ）〜（ｆ））。ＳＷＣＡ計測でえられた結果を表２にまとめている。
【００６３】
式（１）を使って表面エネルギーをえるために、個々に測定した異なる極性液体のＳＷＣＡをＢａｏｊｉｎらによって提案された実験式に代入した。（Ｑ．Ｂａｏｊｉｎ，Ｚ．Ｌｉ，Ｘ．Ｈｏｎｇ，Ｓ．Ｙａｎ，Ｅｘｐ．Ｔｈｅｒｍ．Ｆｌｕｉｄ  Ｓｃｉ．３５，２１１（２０１１））：
【数３】
0006538651.tif 000005
各種表面の推定した表面エネルギーの計算値を表２にまとめている。ＳＡＮＰについては、処理していない表面のものより表面エネルギーが大幅に低かった（４５％）。
【表１】
0006538651.tif 000006
【００６４】
凝縮の結果：試験用の管（内径、外径はそれぞれ１４．３ｍｍと１５．９ｍｍ）は有機残渣を取り除くため酸溶液（ＨＣＬ：ＨＮＯ３）で洗浄した。酸で洗浄後前記管を蒸留水で数回充分に洗い流した。試験用の管を１０ｍＭのＡｇ溶液で化学的に処理し２重量％のエタノール性ドデカンチオールを３回スプレーした。図８に示すように、外側凝縮熱伝達試験結果の過冷却（Ｔｓｕｂ）温度を熱流束及び凝縮熱伝達係数（ＣＨＴＣ）に対してプロットした。比較のため、前記ＳＡＮＰ堆積凝縮器の試験結果を処理していない銅管及び銅の自己集合性モノレイヤ（ＳＡＭ）のものと比較した。前記ＳＡＮＰ堆積凝縮器のＣＨＴＣは表面処理していないものよりも約２から２．５倍（１００〜１５０％）高かった（図８（ｂ））。ＳＡＭが被覆された凝縮器に関しては、ＣＨＴＣは表面処理されていないものよりも約２５％低かった。
【００６５】
全ての試験用の管の全試験運転は凝縮の動的可視化のために記録した。図９（ａ）は処理されていない表面のビデオ記録からのスナップ写真である。前記管の頂上部に最初の凝縮核が生じるとその凝縮液はすぐに近隣のものと合体を開始し液体のパッチを形成する。前記管の底では、直径で１０ｍｍ以下の、高さで９ｍｍ以下の凝縮液のぶら下がりが観察された。液滴／小液滴の離脱後きわめて薄い残留物が当該表面に残った。ぶら下がった液滴と薄い液層は熱抵抗の一因となりうる。熱流束が増加するにつれ、完全なＦＷＣが当該管の軸長さに沿って現れた。
【００６６】
図９（ｂ）で、ＳＡＭで被覆された表面は処理されていない表面のものと比べて異なる凝縮パターンを有していた（図９（Ｂ））。一般に、疎水性のコーティングにより核発生部位の改善がもたらされた。前記管の頂上部には数多くの凝縮液の核が生じ近隣の凝縮液と合体していた。前記小液滴の縁の表面張力が強められるため、掃き集めるモードが阻害され小液滴は水平方向に成長した。前記残留小液滴は凝縮液の核生成を遅らせ、熱伝達性能を悪化させた。同様の現象は該管の底部でも観察された。注目すべきは、前記表面上にぶら下がるより大きな小液滴が液体のパッチに変化し、ＦＷＣを生じたことである。
【００６７】
図９（ｃ）のＳＡＮＰ堆積表面の静止画像は水平管全体のＤＷＣモードを表している。重要な転がり落ち運動は当該表面全体をリフレッシュさせ小さな凝縮液の核を直ちに生成させるトリガーとなった。離脱する凝縮液の平均直径は約３ｍｍと推定された。前記ＳＷＣＡはＤＷＣモードを決める重要な因子ではなかった。図７（ｂ）〜（ｃ）に示すように、前記ＳＡＭ酸化銅は前記ＳＡＮＰと比較してＷＣＡを５０％大きくした。超疎水性表面の空洞が濡れると、追加の推進力及び／又はエネルギーが必要となる。凝縮試験の間、大部分の超疎水性表面は強いＷＣＡのヒステリシスを示したが、それにより転がり落ち運動と凝縮液の離脱が制限された。
【００６８】
凝縮液の動的な動きを解析するために、凝縮液の成長周期をビデオに記録し以下に定義される代表長さ（ｌ０）、速度（ｕ０）及び時間（ｔ０）を使って正規化した（Ｙ．Ｎａｍ，Ｅ．Ａｋｔｉｎｏｌ，Ｖ．Ｋ．Ｄｈｉｒ，Ｙ．Ｓ．Ｊｕ，Ｉｎｔ．Ｊ．Ｈｅａｔ  Ｍａｓｓ  Ｔｒａｎｓｆｅｒ  ５４，１５７２（２０１１））：
【数４】
0006538651.tif 000007
式中、σ、ｇ、ρｌ、及びρｖはそれぞれ表面張力、ガス定数及び液体と固体の密度である。
【００６９】
本発明者らは１気圧の水についてｔ０＝１．６ｘ１０−２ｓ及びｌ０＝２．５ｘ１０−３を算出した。図１０（ａ）において、前記ＳＡＭ酸化銅の表面の流れの可視化はｔ＊＝２．０６での凝縮液（矢印）の分離を示している。分離の間に、前記膜は部分的に切り取られた（次の写真図１０（ｂ）参照）。次に、前記小液滴は水平方向と垂直方向に成長した。ｔ＊＝３５．３８で、小液滴は前記表面から再び離れ落ちた（図１０（ｄ））。離脱の周波数は略１．７Ｈｚであった。ＳＡＮＰ表面の液滴の可視化を図１１に示す。ｔ＊＝２．０６で小滴形状の凝縮液（矢印）は前記試験用の管から離脱した。同じスポットでのいくつかの凝縮液が図１１（ｂ）に示されている。これらの凝縮液は瞬間的に融合し前記表面から離脱した。連続写真（図１１（ｄ））は離脱の後には残留物がほとんど残らないことを示している。離脱の周波数は略１．１Ｈｚであった（前記ＳＡＭ酸化銅よりも早い）。前記ＳＡＮＰ表面は小液滴の離脱周波数を相当に増加させ、また、小液滴の残余を最小限にし、その結果凝縮熱伝達を増加させる。
【００７０】
前記ＳＡＮＰ管の長期性能をチェックするために、５００時間の長期耐久試験を行った。図１２（ａ）に示すように、過冷却温度に対する熱流束は５００時間の試験運転後もほとんど影響を受けなかった。熱流束の情報は凝縮熱伝達係数（ＣＨＴＣ）に変換し図１２（ｂ）において初期条件と比較した。１００時間の運転後ではＳＡＮＰ堆積表面の有意な変化はなかった。
【００７１】
図１３（ａ）は銀で被覆された表面の凝縮液の分布の外形を表し、前記分布は特定の時間間隔で撮影したものである。図１３（ａ）は不連続な凝縮液が合体して水平管に沿って転がり落ちるのを示している。一度前記の小液滴が前記管の表面を転がり落ち始めると、その小液滴の底の平均半径は約２ｍｍであった。前記小液滴が管表面に沿って動くにつれて、その底の平均半径は約３ｍｍに増加した。成長する凝縮液は回転して成長しきっていない凝縮液（＜１ｍｍ）をそれが転がり落ちるに充分な運動量をもつ限界半径になる前に取り去った。図１３ａ〜ｄの時間ごとの写真は前記再生領域を示している。図１３（ｂ）に示すように、瞬間的に、凝縮面にマイクロサイズの凝縮液の核が生成された。
【００７２】
凝縮液の前記外形は視覚的に識別可能なサイズに基づいて描かれていることを考慮すると、識別されない数百万の凝縮液が存在するであろう。図１３（ｃ）には、前記既定の領域に多数の凝縮液が密集して存在している。図１３（ｄ）に示すように、小液滴が充分に成長する前に最も大きな少液滴が転がり落ちはじめ、近隣の成長しきっていない小液滴を旋回して取り去った。
【００７３】
図１３の外形図の下にある棒グラフは凝縮液の小液滴集団の量を示す。図１３（ｅ）ではすでに大きな凝縮液が掃き去られた後なので、小液滴が広く分布していた。ひとたび核生成が始まると（図１３（ｂ））、小液滴は均一に成長し、前記集団の棒グラフの分布は数ミクロンの領域に局在した（図１３（ｆ））。小液滴が成長すると、棒グラフの局在したピークは消失した（図１３（ｇ））。前記棒グラフはシフトし、広範な小液滴の半径に広く分布した。図１３（ｈ）に示すように、近隣の液体と速やかに合体して集団のピークは著しく下がり棒グラフの範囲は広がった（２００〜２０００μｍ）。
【図１】
0006538651.tif 000008
【図２】
0006538651.tif 000009
【図３】
0006538651.tif 000010
【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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【図１２】
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【図１３】
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