(57)【要約】【課題】蒸発特性に優れた多孔質材料および効率がよく、簡便な蒸気発生装置を提供する。【解決手段】孔径がサブナノメーターから十数ナノメーターの範囲にある細孔を内包する多孔質の表面層と、該表面層の下地となるマイクロポーラス層の少なくとも２層からなる、多孔質の材料とする。また、この材料を用いて、内部に液体を保持可能に形成した容器を具えるとともに、該容器の外表面に上記多孔質の表面層が位置するように配置することにより、外表面上の気体流れで容器内の液体が細孔を浸透して容器の外表面から蒸発するようにする。【選択図】　　　　　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
孔径がサブナノメーターから十数ナノメーターの範囲にある細孔を内包する多孔質の表面層を構成層としたことを特徴とする、強制対流水分蒸発試験において優れた蒸発特性を有する多孔質材料。
【請求項２】
平均孔径がサブナノメーターから十数ナノメーターの範囲にある細孔を内包する多孔質の表面層と、該表面層の下地となるマイクロポーラス層の少なくとも２層からなることを特徴とする、強制対流水分蒸発試験において優れた蒸発特性を有する多孔質材料。
【請求項３】
多孔質の表面層が、平均孔径１０ナノメーター以下の細孔を内包し、かつ厚さが５マイクロメーター以下である請求項１または２に記載の多孔質材料。
【請求項４】
強制対流水分蒸発試験における蒸発特性の程度が、平滑液体膜（水膜等）の場合の２倍以上である請求項１〜３のいずれか１項に記載の多孔質材料。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の多孔質材料を用いて内部に液体を保持可能に形成した容器を具え、該容器の外表面に上記多孔質の表面層が位置するように配置することにより、外表面上の気体流れで容器内の液体が細孔を浸透して容器の外表面から蒸発するようにしたことを特徴とする蒸気発生装置。
【請求項６】
強制対流水分蒸発試験における蒸発特性の程度が、平滑液体膜（水膜等）の場合の２倍以上である請求項５に記載の蒸気発生装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、強制対流水分蒸発試験において優れた蒸発特性、いわゆるナノポーラス効果を有する多孔質材料およびこの多孔質材料を用いて効率的に水蒸気等を発生せしめることができる蒸気発生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、多孔質材料はその物理化学的な特徴のために種々の用途に利用されている。例えば濾過、分離、精製、濃縮等の工業用途に加えて、最近では空調設備用の除湿素子の素材（特開２００１−１０４７４４号公報）や自律的調湿機能を有する多孔質壁材（特開２０００−１０４３５３号公報）等の民生用途が提案されている。
本発明者は、多孔質内の水の流体挙動や多孔質体表面からの水分蒸発現象を長年にわたり研究してきた。多孔質内の流体挙動は孔径によって大きく異なり、孔径がｍｍオーダーのものはレイノルズ数の小さいマクロな流体力学に従い、マイクロメーター（μｍ）のオーダーでは表面張力が支配的になり、さらにナノメーター（ｎｍ）のオーダーでは多孔質物質との干渉が強くなり、流体の物性変化が起こり複雑かつ予想出来ない現象を呈する。本発明者は、多孔質体円柱表面からの水分の強制対流物質輸送特性を調べる過程で、「ナノポーラス効果」なる現象を見出した。
即ち、多孔質表面は個体部分と液体部分（孔）で構成されるが、固体部分に液体の補給が及ばなくなれば、見かけ上蒸発表面積が減少したことになり、蒸発量（シャーウッド数）は水膜円柱表面の値より小さくなるはずである。確かに孔径がｍｍオーダーから次第に小さくなると蒸発量は減少する。しかし、μｍオーダーから更に小さくなると蒸発量は、逆に、増加し水膜円柱表面の値よりも大きくなる。この現象に対して、「ナノポーラス効果」と名づけた。（原、Ｔｈｅｒｍａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，　Ｖｏｌ．８，　Ｎｏ．２，　ＰＰ．２１−２７（２０００）　　）
発明者らは、瀬戸半磁器６号土を使用した素焼半磁器管の焼成温度を５００―１２５０℃の範囲で変化させて、その多孔質構造特に孔径を変化させて、その強制対流水分蒸発特性を調べた。その結果、ナノポーラス効果は発現するが、以下の問題点が判明した。
（１）作製した半磁器管のナノメーターオーダーの孔に水分が充分に浸透するには非常に長い時間を要する。７ケ月後でもまだ完全とはいえない状態であった。
（２）作製した磁器管では、ナノポーラス効果は円柱表面の水膜が蒸発して消滅した直後に最も顕著に現れるが、これは時間とともに減少して平衡値になる。具体的には、平衡値は水膜実測値の１．１倍であり、水膜消滅直後の最高値は１．９倍であった。しかし、現実には最高値もしくはそれに近い効果を維持できないのでは工業用途への応用は難しい。
一方、従来の水蒸気発生装置については、加湿器に見られるようにその大半は水をヒータで加熱して水蒸気を発生、これを排出するものであり、ヒータの消費電力が大きいという問題があった。
これを解決するために例えば特開２００１−２３５１９３号公報に見られるように、ファンの周囲を蒸発補助体で包囲し、蒸発補助体に吸わせた水分をファンの吸引力と排気力によって水蒸気とし排出するという装置が考案されている。しかし蒸発補助体の構成が複雑な上、ファンが内部に包含される形になるため、メンテナンス上の問題は避けることができなかった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、多孔質材料におけるある程度のナノポーラス効果はこれまでも確認されていたが、産業上への応用が期待できる程度の優れた蒸発性能を発揮できるものは存在していなかった。そして、また水蒸気発生装置については、従来の水蒸気発生装置はヒータの使用やファンを内蔵させた複雑な構成であるため、消費電力が多大であるか、メンテナンスが面倒であり、一般家庭で使用するには障害が大きいという問題があった。
【０００４】
そこで、本発明は上記問題を解決できる、ナノポーラス効果を有する多孔質材料を開発するとともに、この多孔質材料を用いた、効率が大で構造の単純化が可能な水蒸気発生装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明において、優れたナノポーラス効果を有する多孔質材料ならびにそれを用いた蒸気発生装置の実現は、以下の要旨構成に示す手段にて可能となる。すなわち、
１）　孔径がサブナノメーターから十数ナノメーターの範囲にある細孔を内包する多孔質の表面層を構成層としたことを特徴とする、強制対流水分蒸発試験において優れた蒸発特性を有する多孔質材料。
２）　孔径がサブナノメーターから十数ナノメーターの範囲にある細孔を内包する多孔質の表面層と、該表面層の下地となるマイクロポーラス層の少なくとも２層からなることを特徴とする、強制対流水分蒸発試験において優れた蒸発特性を有する多孔質材料。
３）　多孔質の表面層が、孔径１０ナノメーター以下の細孔を内包し、かつ厚さが５マイクロメーター以下である上記１）または２）に記載の多孔質材料。
４）　強制対流水分蒸発試験における蒸発特性の程度が、平滑液体膜（水膜等）の場合の２倍以上である上記１）〜３）のいずれか１つに記載の多孔質材料。
５）　上記１）〜４）のいずれか１つに記載の多孔質材料を用いて内部に液体を保持可能に形成した容器を具え、該容器の外表面に上記多孔質の表面層が位置するように配置することにより、外表面上の気体流れで容器内の液体が細孔を浸透して容器の外表面から蒸発するようにしたことを特徴とする蒸気発生装置。
６）　強制対流水分蒸発試験における蒸発特性の程度が、平滑液体膜（水膜等）の場合の２倍以上である上記５）に記載の蒸気発生装置。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明者は、ナノポーラス効果、即ち強制対流水分蒸発試験において多孔質体円柱表面からの水分蒸発量が水膜実測値よりも多くなる現象、を高いレベルでかつ安定的に発現できる多孔質材料を見いだしたのである。
すなわち、孔径がサブナノメーターから十数ナノメーターの範囲好ましくは１０ナノメーター以下の細孔からなる、好ましくは厚さ５マイクロメーター以下の表面層（以下、この層をナノポーラス層ともいう）とし、その下地としてマイクロメ−ターオーダーの細孔からなる下地層（以下、マイクロポーラス層ともいう）とからなる、２層構造の多孔質材料が蒸発特性に優れていることがわかった。
こうした２層構造の多孔質材料を製造するには、孔径の大きい下地層の上にナノメーター孔径の表面層をコーティング等によって形成させても良いし、一体的に成型して表面層にナノメーター細孔を、下地層にマイクロメーター細孔を形成させても良い。要は、結果として本発明の層構成からなる多孔質材料となっていれば良い。
また、ナノポーラス効果の性格から明らかなように、表面層の全てがナノメーターサイズの孔径であるのが最良であるが、この中に大きいサイズの孔が混在していてもかまわない。この場合、ナノポーラス効果のレベルが低減しても、実用レベルで適用できるなら工業的使用の上で支障はないからである。下地層の多孔構造についても同様であり、この部分にマイクロポーラス即ちマイクロメーターオーダーのサイズの孔にこれ以外の、ナノメーターサイズの孔やミリメーターサイズの大きな孔等が混在することはかまわない。
【０００７】
本発明において、多孔質体を構成する材料は、セラミックス、金属、プラスチックス、天然資材等であり、特に制限する必要はない。多孔質材料の製造時に細孔径を制御できかつ強度があると言う観点から好適なのはセラミックスであり、特に表面層の材料としては、ジルコニア、アルミナ、チタニア、シリカ、粘土等が好ましい。下地層の材料と表面層の材料は同じでも異なっていても良く、用途に応じて適宜選定すればよい。
なお、本発明においては、蒸発液体として水を代表例として説明しているが、蒸発液体は必ずしも水に限定されるものではなく、アルコール類、ガソリン他の液体燃料類、有機溶剤等の有機液体のような、液体を気体に転換して利用する流体物質であれば適用できる。
【０００８】
以下に、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照してさらに詳しく説明する。図１は本発明に従う多孔質材料を用いた水蒸気発生装置を模式的に示す断面図である。図では、マイクロポーラス層２とナノポーラス層３の２層からなる多孔質材料を用いて製作した多孔質円筒容器を具えた水蒸気発生装置を示している。多孔質円筒容器に、水が供給され、容器内には水１が保持されている。この多孔質円筒容器の容器壁は、内面側に位置し孔径が比較的大きいマイクロポーラス層２と外面側に位置し孔径が比較的小さいナノポーラス層３で構成される。
マイクロポーラス層２の平均孔径は１００ｎｍ以上の細孔で構成され、ナノポーラス層３は厚さ５μｍ以下で平均孔径が１０ｎｍ以下の細孔で構成されている。
【０００９】
多孔質円筒容器の内部に供給された水１は容器内面のマイクロポーラス層２に素早く浸透する。マイクロポーラス層２を構成する空孔の平均孔径は１００ｎｍを越える大きなものであるので、水が浸透するに際しての抵抗は少なく浸透時間は短くて済む。浸透した水は容器壁の外面側に位置する平均孔径が１０ｎｍ以下のナノポーラス層３の中を今度はゆっくりと浸透して容器壁の外表面に達する。ナノポーラス層３を構成する細孔の平均孔径は１０ｎｍ以下と小さいので、細孔を経由した水は物性が変化して容器壁の外表面に水膜を形成することなく、ただちに容器外の気流中へ蒸発する。
【００１０】
多孔質容器外での気流は自然対流でも良いし、ファン等を用いた強制対流でも良い。ここで、自然対流には室内の上下の温度差が大きく影響するが、容器壁外表面近傍の大気が外表面から蒸発した大量の水蒸気によって周辺の大気よりも軽くなり、上昇気流となって多孔質円筒容器周辺の自然対流を促進することも影響する。
このため、本発明によれば、特別にファン等の強制対流を発生せしめる機器やヒーターなどの水の加熱装置などに特別な配慮をしなくとも大気中に十分な水蒸気を供給できる。従って、本発明によれば、電力等は必要とせずに、効率的で簡便な水蒸気発生が可能になる。
【００１１】
ここで、発明者の考察によれば、ナノポーラス効果を呈する細孔の孔径は、サブナノメータから十数ナノメータの範囲であり、好ましくは１０ｎｍ以下と考えられる。また、ナノポーラス層において均一な孔径が得られない場合には、平均孔径が２０ｎｍ以下のナノポーラス表面であれば、表面が水膜で覆われてしまう割合は少なく、ある程度のナノポーラス効果を期待することができる。
【００１２】
さらに、ナノポーラス層３の表面から水が蒸発すると、ナノポーラス層３の内側から水が浸透してきて、ナノポーラス表面に水を供給することになるが、この水の浸透速度はナノポーラス層３の孔径およびその厚みにより決まるもので、ナノポーラス表面における水の蒸発速度と内部からの水の浸透速度とが等しくなった時に、最大の効率を得ることができる。
水の浸透速度が蒸発速度を下回った場合には、時間と共にナノポーラス表面が乾いてしまい、ナノポーラス効果を維持することができなくなってしまう。逆に、水の浸透速度が蒸発速度を上回った場合には、ナノポーラス表面が水膜で覆われてしまい、ナノポーラス効果が得られなくなってしまう。
ナノポーラス層３の孔径が１０ｎｍ程度の場合、自然対流の環境では、ナノポーラス層３の厚みは１０μｍ以下、できれば５μｍ以下が好ましい。また、強制対流環境の場合には、その流速に応じてナノポーラス表面からの水の蒸発速度が変化するので、ナノポーラス層３の厚みはさらに薄く形成される必要がある。
【００１３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に従う多孔質材料で作製した蒸気発生装置によれば、電気を消費することなく効率良く水蒸気を発生させることができるうえ、構造を単純化できるので家庭などでも簡便に使用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の多孔質材料を用いた蒸気発生装置を模式的に示す断面図である。
【符号の説明】
１：水等の液体
２：容器壁マイクロポーラス層
３：容器壁ナノポーラス層
４：両端シール板
５：固定締め付け具
【図１】
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