(57)【要約】      （修正有）【課題】衝突する液体の液滴による濡れに対して耐性がある物品、並びに衝突する液体の液滴による物品の濡れに対して耐性を与える方法の提示。【解決手段】物品（３００）は、その上に衝突する液体の液滴（３１０）をインタセプトするように配向された表面部分（３２０）を含む。この表面部分（３２０）は、複数の表面機構（３３０）を含み、この複数の表面機構（３３０）は、メジアン径ａ、メジアン深さｈ及びメジアン間隔ｂを有する。パラメータａ、ｂ及びｈは、相対速度ｖで表面部分（３２０）上に衝突する液滴に対応して、該表面部分（３２０）上への衝突時に該液滴によって生成されるベルヌーイ圧よりも大きい背圧を生成するように選択される。本方法は、表面部分（３２０）に対して少なくとも約５ｍ／ｓの相対速度で運動する液滴（３１０）に曝して、液滴（３１０）が該表面部分（３２０）上に衝突するようにする段階とを含む。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
その上に衝突する液滴による濡れに対して耐性がある物品（４２０）であって、
前記物品（４２０）上に衝突する液体の液滴をインタセプトするように配向された表面部分（４００）を含み、
前記表面部分（４００）が、複数の細孔（４１０）を含み、
前記複数の細孔（４１０）が、メジアン径ａ、メジアン深さｈ及びメジアン間隔ｂを有し、
前記ａ、ｂ及びｈが、相対速度ｖで前記表面部分（４００）上に衝突する前記液滴に対応して、該表面部分（４００）上への衝突時に該液滴によって生成されるベルヌーイ圧よりも大きい背圧を生成するように選択される、
物品（４２０）。
【請求項２】
前記細孔（４１０）の大多数が、互いに分離している、請求項１記載の物品（４２０）。
【請求項３】
前記ｂ／ａの比率が、最大１０である、請求項１記載の物品（４２０）。
【請求項４】
前記ａが、最大１０マイクロメートルであり、前記ｂ／ａの比率が、最大６である、請求項１記載の物品（４２０）。
【請求項５】
前記表面部分（４００）が、表面エネルギー緩和材料をさらに含む、請求項１記載の物品（４２０）。
【請求項６】
その上に衝突する液滴による濡れに対して耐性がある物品であって、
液体の到来する液滴をインタセプトするように配向された表面部分（５００）を含み、
前記表面部分（５００）が、複数の隆起部（５１０）を含み、
前記複数の隆起部（５１０）が、メジアン径ａ、メジアン高さｈ及びメジアン間隔ｂを有し、
前記ａ、ｂ及びｈが、少なくとも５ｍ／秒の相対速度で前記表面部分（５００）上に衝突する少なくとも１マイクロメートルの液滴粒度を有する前記液滴に対応して、該表面部分（５００）上への衝突時に該液滴によって生成されるベルヌーイ圧よりも大きい背圧を生成するように選択される、
物品。
【請求項７】
前記ａが、最大３００マイクロメートルであり、前記ｂ／ａが、最大１０である、請求項６記載の物品。
【請求項８】
前記表面部分（５００）が、表面エネルギー緩和材料をさらに含む、請求項６記載の物品。
【請求項９】
蒸気タービン組立体の構成部品（６００）であって、
前記蒸気タービン組立体の流体流路（６３０）内に同伴された液体の到来する液滴（６２０）をインタセプトするように配向された表面部分（６１０）を含み、
前記表面部分（６１０）が、複数の隆起部（６４０）を含み、
前記複数の隆起部（６４０）が、メジアン径ａ、メジアン高さｈ及びメジアン間隔ｂを有し、
前記ａ、ｂ及びｈが、相対速度ｖで前記表面部分（６１０）上に衝突する前記液滴に対応して、該表面部分（６１０）上への衝突時に該液滴によって生成されるベルヌーイ圧よりも大きい背圧を生成するように選択される、
構成部品（６００）。
【請求項１０】
前記ａが、最大５マイクロメートルであり、前記ｂ／ａが、最大１０である、請求項９記載の構成部品（６００）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、低い液体濡れ性を有する表面に関する。より具体的には、本発明は、その上に衝突する液体を含む状況において低い濡れ性を備えるように設計された表面に関する。本発明はまた、そのような表面を含む物品、並びにそのような物品及び表面を製作する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体表面の「液体濡れ性」又は「濡れ性」は、表面とその表面上に置かれた所定の液体の液滴との間に発生する相互作用の性質を観察することによって判定される。表面上に衝突する時、液滴は、最初に比較的広い面積を覆って広がるが、その後その接触面積を減少させるように縮小する。液体に対する高い濡れ性を有する表面は、液滴が表面の比較的広い面積を覆って広がりかつその状態のままになる（それによって、表面を「濡らす」）のを可能にする傾向がある。極端なケースでは、液体は、表面の全体を覆った薄膜に広がる。他方、表面が液体に対する低い濡れ性を有する場合には、液体は、表面上に静止した形のよいボール形状の液滴を維持する傾向になる。極端なケースでは、液体は、極めて僅かな外乱で表面から容易に転落するほぼ球形の液滴を形成する。極度に低い濡れ性を有する表面上に衝突する状況では、液滴は、それが縮小する時に表面から完全に離昇する場合がある。
【０００３】
液体が固体表面を濡らすことができる程度は、液体及び固体が互いに如何なる相互作用を行うことになるかを判定する際に、大きな役割を果たす。高い濡れ度は、比較的広い液体−固体接触面積をもたらし、例えば接着剤及び皮膜用途のような２つの表面間の大量の相互作用が有益となる用途において望ましい。一例として、いわゆる「親水性」材料は、水の存在下で比較的高い濡れ性を有し、固体表面全体を覆って水の高い「一面広がり（ＳＨＥＥＴＩＮＧ）」度をもたらす。反対に、低い固体−液体相互作用を必要とする用途の場合には、濡れ性は一般的に、固体表面との間で最小の接触面積を有する液滴の形成を促進するために、可能な限り低く保たれる。「疎水性」材料は、比較的低い水濡れ性を有し、いわゆる「超疎水性」材料は、さらに低い水濡れ性を有しており、幾つかのケースでは、水滴と固体表面との間の相互作用の性質により、表面上に衝突するあらゆる水をはじくように見える場合がある表面を形成する。
【０００４】
調製した表面特性を有する物品は、輸送、化学処理、医療及び繊維のような分野での幅広い用途で使用することができる。これらの用途の多くは、物品表面と様々な液体との間の相互作用を減少させるために比較的低い液体濡れ性を備えた表面を有する物品の使用を含む。具体的には、材料の濡れ性は、低空気抵抗又は低摩擦、自己浄化能力並びに着氷、汚損及びフォギングに対する耐性を含む特性を有する表面を形成するように調製することができる。
【０００５】
多くの用途は、液滴による濡れに対して耐性がある（液滴によって濡れにくい）構成部品の使用によって利点を得ることになる。例えば、機体及びエンジン構成部品のような航空機構成部品並びに風力タービン構成部品は、過冷却水の液滴が構成部品表面に突き当たり、液滴が凍結して凝集した氷の塊として蓄積しながら表面と接触した状態を維持するので、着氷し易い。別の例では、蒸気タービンブレードは、水滴の衝突により浸食を受け易い。これらの及び他の用途では、濡れ耐性（濡れにくさ）は、表面に対する大きな速度で該表面に突き当たる液滴にまで拡張されなくてはならない。金属は一般的に水のような普通の液体に対して中から高程度までの濡れ性を有するので、金属製構成部品は特に、着氷、汚損等を受け易い。
【特許文献１】米国特許第６，６２３，２４１号
【特許文献２】米国特許出願公開第２００５／０２２１０７２Ａ１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】"Advances in Dropwise Condensation Heat Transfer: Chinese Research", X. Ma., J.W. Rose, D. Xu, J. Lin and B. Wang, Chemical Engineering Journal 78 (2000) 87-93
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従って、特に液体が大きな速度でその表面に突き当たる傾向にある用途において、低い液体濡れ性を有する耐久力がある表面を備えた金属物品のような物品を提供するニーズがある。さらに、そのような表面及びそのような表面を有する物品を製作する方法に対するニーズがある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の実施形態は、これらの及び他のニーズを満たす。１つの実施形態は、物品上に衝突する液滴による濡れに対して耐性がある物品である。本物品は、該物品上に衝突する液体の液滴をインタセプトするように配向された表面部分を含む。この表面部分は、複数の細孔を含み、複数の細孔は、メジアン径ａ、メジアン深さｈ及びメジアン間隔ｂを有する。パラメータａ、ｂ及びｈは、相対速度ｖで表面部分上に衝突する液滴に対応して、該表面部分上への衝突時に該液滴によって生成されるベルヌーイ圧よりも大きい背圧を生成するように選択される。
【０００８】
別の実施形態は、その上に衝突する液滴による濡れに対して耐性がある物品である。本物品は、液体の到来する液滴をインタセプトするように配向された表面部分を含み、表面部分は、複数の隆起部を含み、複数の隆起部は、メジアン径ａ、メジアン高さｈ及びメジアン間隔ｂを有する。パラメータａ、ｂ及びｈは、少なくとも５ｍ／秒の相対速度で表面部分上に衝突する少なくとも約１マイクロメートルの液滴粒度を有する液滴に対応して、該表面部分上への衝突時に該液滴によって生成されるベルヌーイ圧よりも大きい背圧を生成するように選択される。
【０００９】
他の実施形態は、蒸気タービン組立体の構成部品である。本構成部品は、蒸気タービン組立体の流体流路内に同伴された液体の到来する液滴をインタセプトするように配向された表面部分を含み、表面部分は、複数の隆起部を含む。複数の隆起部は、メジアン径ａ、メジアン高さｈ及びメジアン間隔ｂを有し、これらａ、ｂ及びｈは、相対速度ｖで表面部分上に衝突する液滴に対応して、該表面部分上への衝突時に該液滴によって生成されるベルヌーイ圧よりも大きい背圧を生成するように選択される。
【００１０】
別の実施形態は、衝突する液体の液滴による物品の濡れに対して耐性を与える方法である。本方法は、液体の到来する液滴をインタセプトするように配向された表面部分を形成して、該表面部分が、少なくとも５ｍ／ｓの相対速度でその上に衝突する液滴に対応して、該表面部分上への衝突時に該液滴によって生成されるベルヌーイ圧よりも大きい背圧を生成するようにその上に配置された複数の機構を含むようにする段階と、表面部分を該表面部分に対して少なくとも約５ｍ／ｓの速度で運動する液滴に曝して、液滴が該表面部分上に衝突するようにする段階とを含む。
【００１１】
本発明のこれらの及び他の特徴、態様及び利点は、図面を通して同じ符号が同様の部分を表す添付の図面を参照して以下の詳細説明を読むと、より十分に理解されるようになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下の説明では、同じ参照符号は、図面に示す幾つかの図を通して、同様の又は対応する部分を示す。また、「頂部」、「底部」、「外向き」、「内向き」及び類似のものは、便宜的な用語であって、限定する用語として解釈すべきものではないことを理解されたい。さらに、本発明の特定の特徴が、グループの幾つかの要素の少なくとも１つ及びその組合せを含む或いはそれらから構成されると表現した場合には常に、その特徴は、グループの要素のいずれかを単独で又はそのグループの他の要素のいずれかとの組合せでのいずれかで含む或いはそれらから構成することができることを理解されたい。
【００１３】
幾つかのケースで、凹凸を付けた（ｔｅｘｔｕｒｅｄ）表面の使用は、同一材料の凹凸を付けない表面と比較して表面の濡れ性を減少させることを示した。しかしながら、凹凸を付けた表面と該表面上に穏やかに置かれた液滴との相互作用は、大きな速度で表面に突き当たる液滴の場合に観測される相互作用とは全く異なることが多い。例えば、そのように衝突する液滴は、表面に突き刺さるように観察される場合があるが、これに対して、穏やかに置かれた液滴は、同一の表面から容易に転落する場合がある。この挙動は、土砂降りの雨のような衝突する液体が当たり前である実際の用途において意味を持つ。
【００１４】
衝突する液滴に対する耐性の不足の原因は、液滴によって生成される衝突圧力に抗するための多くの表面凹凸の不具合にあるように思われる。図１は、液滴１００が、表面１２０上に凹凸を構成した機構１３０を有する表面１２０に突き当たった状況を示し、ここでは、濡れに抗するための表面１２０に関連した圧力は、衝突時に液滴１００によって加えられる圧力よりもはるかに低い。その結果、液滴１００は、機構１３０間の空間内に貫入し、凹凸を付けた表面１２０の表面積の大きな部分を濡らすことになる。この広範囲の接触は、表面１２０に対して液滴１００を固定するように働き、このことにより、着氷、汚損等のような望ましくない結果が生じるおそれがある。この状況を、表面２００によって生成される圧力が、衝突時に液滴２２０によって生成される圧力と同等又はそれ以上である図２に示す状況と対比する。図２では、液滴は、機構２３０間の空間内に貫入できず、機構２３０の頂部と接触するのみである。図１のシナリオと比較して比較的小さい接触面積は、表面２００からの液滴２２０の除去が、望ましいことに表面１２０から液滴１００を除去するのよりもより容易になることを示唆している。この除去の容易さは、液滴２２０が凍結する前に表面２００から液滴２２０を取除き、それによって例えば氷の蓄積を減少させるか又は防止するのを促進することができ、或いは別の実施例では、液滴２２０は、表面２００上で１つ又はそれ以上の他の液滴と凝集する前に取除かれて、蒸気タービン流路内での低い平均液滴粒度を維持し、かつタービンブレード上への液滴衝突の浸食作用を減少させる。
【００１５】
理論によって制限されずに、本発明者は、以下の解析により、他の凹凸を付けた表面と比較した場合に衝突する液滴に対して卓越した耐性を示す表面凹凸の設計の基準が得られると確信する。この解析は、同一の表面が同一の液体の静止した液滴による濡れに対して高い耐性を示す場合に、多くの凹凸を付けた表面が大きな速度で表面に突き当たる液滴による濡れに対して何故望ましくない低い耐性を示すかという問題の原因を説明するものと思われる。
【００１６】
凹凸を付けた表面に衝突する液体の液滴は、表面上に圧力を加え、この圧力が、液滴による濡れを促進させる傾向がある。この圧力の大きさ及び性質は、時間依存性である。衝突の瞬間には、加えられる圧力は、主としていわゆる「水撃圧」によるものであり、この水撃圧は、液滴速度と液体媒体内の音速との積に比例する。数十ナノ秒後に、液滴によって加えられる圧力は、主として液滴速度の二乗に比例する液滴のベルヌーイ圧によるものとなる。水撃圧は一般的に、ベルヌーイ圧よりもはるかに高いことが分かるであろう。
【００１７】
その上に液滴が突き当たる凹凸を付けた表面は、液滴に対して作用する圧力の生成（本明細書では、「背圧」とも呼ぶ）を引起し、この背圧は、液滴による濡れに抗する（濡れに対する耐性を有する）傾向がある。表面凹凸を含む機構の性質に応じて、背圧は、１つ又は複数の成分を有することができる。表面積の次第に拡大する濡れ量に関連したエネルギー障壁があるので、毛細管圧が存在する。毛細管圧は流体と表面との間の相互作用に応じて決まるので、毛細管圧は一般的に、その一部がその系のジオメトリの関数である。例えば、半径ｒの円筒管内で相互作用する空気−水系は、下記のいわゆるラプラスの方程式によって記述される毛細管圧を有し、
【００１８】
【数１】
2007130747.tif 000003
ここで、σは、空気−水の表面張力であり、θは、水が管壁との間でなす接触角であり、またｒは、管の半径である。従って、毛細管圧は、表面凹凸のジオメトリを注意深く描写しかつその描写を毛細管圧の方程式を導き出すのに使用する力平衡解析に組み込むことによって予測することができる。逆に言えば、また本発明の実施形態に密接に関係して、表面のジオメトリは、所望の値の予測毛細管圧を備えるように設計することができる。
【００１９】
特定の状況では、他の因子が、背圧の生成に寄与する。例えば、液滴が多孔質表面上に衝突する場合には、細孔の内部に捕捉されたガスが、圧縮される。圧縮されたガスの圧力は、上昇して、衝突する液滴による貫入に対する付加的な抗力を与える。
【００２０】
本発明の実施形態によると、物品３００（図３）上に衝突する液滴３１０による濡れに対して耐性がある物品３００は従って、液滴３１０をインタセプトするように配向された表面部分３２０を含み、この表面部分３２０は、衝突する液滴３１０によって生成される濡れ促進圧力に等しいか又はそれよりも大きい背圧の生成を可能にするように設計された複数の表面機構３３０を含む。液滴をインタセプトするように「配向された」表面は、表面に対する液滴運動に対して垂直に配向された表面に限定されるものではなく、本発明の実施形態では、あらゆる衝突角度での液滴のインタセプトを意図していることが分かるであろう。上述のように、濡れ促進圧力は、時間依存性であり、液滴衝突後の経過時間に応じて決まる水撃圧及び／又はベルヌーイ圧を含む。水撃圧（上述のように、一般的にベルヌーイ圧よりも大きい）が背圧よりも小さい場合には、液滴は、凹凸を構成する表面機構間の空間から完全にはじかれ、液滴は、図２に示すように表面機構の頂部に接触するだけになると予想される。実際には、水撃圧に打ち勝つのに十分な背圧の生成を可能にすることになる表面を設計することは非常に難しく、従って、通常は表面機構の少なくとも幾らかの濡れが予想される。しかしながら、水撃圧は、非常に短命でありかつ局所的であり、多くの環境では、液滴の濡れ圧力は、大きな有害な量の凹凸の濡れが形成される前には明らかにベルヌーイ圧によって支配された状態になる。従って、実用的なシステムでは、水撃圧を超えることが性能にとって重要ではないような場合があるので、背圧は、ベルヌーイ圧に少なくとも達するか又はそれを超えるべきである。従って、本発明の特定の実施形態では、表面機構３３０の構成は、相対速度（ｖ）で表面部分３２０上に衝突する液滴３１０に対応して、該表面部分３２０上への衝突時に液滴３１０によって生成されるベルヌーイ圧よりも大きい背圧を生成するように選択される。
【００２１】
表面機構３３０の構成は、液滴速度の予想値及び所定の用途に対する他の液滴パラメータ（液滴のベルヌーイ圧を決定する）を加味して上記の解析（液滴の衝突に対応して生成される背圧を決定する）の知識に基づいて、適切なレベルの背圧を生成するように選択することができる。蒸気タービン構成部品の用途では、ほんの１つの例として、水滴の平均速度及び粒度のような他の液滴パラメータは、タービンの公称運転条件に基づいて既知である場合がある。この平均速度を上記解析におけるｖとして使用して、タービンの構成部品上に衝突する液滴のベルヌーイ圧の予想値を計算することができ、上記解析を使用して、構成部品物品３００の表面部分３２０における表面機構３３０の構成を、液滴の衝突時に生成される背圧が液滴によって加えられるベルヌーイ圧に達するか又はそれを超えるように設計することができる。
【００２２】
表面機構３３０は、円筒形柱、矩形角柱、ピラミッド形角柱、樹枝状突起、ナノロッド、ナノチューブ、粒子破片、擦り傷又は物品３００の表面の上方へのあらゆる他の突起のような隆起部とすることができる。それに代えて、機構３３０は、孔、井戸などのような、表面の下方に幾らかの深さまで配置された陥凹部とすることができる。本明細書では、「細孔」と云う用語は、物品の表面の下方に幾らかの深さまで配置された開放空間のようなもの全てを意味するのに使用し、この用語は、細孔を配置した方法又はプロセスによる機構のタイプを限定するように解釈すべきではない。例えば、表面内に穿孔加工した孔は、本説明の目的に対して「細孔」と考えられる。
【００２３】
１つの実施形態では、図４を参照すると、表面部分４００は、複数の細孔４１０を含み、複数の細孔４１０は、細孔メジアン径ａ、細孔メジアン深さｈ及び細孔メジアン間隔ｂを有する。数量ａ、ｂ及びｈは、より全体的に上記に説明したように、衝突する液滴のベルヌーイ圧を超える背圧を生成するように選択される。幾つかの実施形態では、大多数の細孔は、互いに分離しており、すなわち細孔間の相互接続は、殆ど存在しないか又は全くない。特定の実施形態では、複数の細孔の実質上全てが、互いに分離している。接続した細孔のネットワークよりも比較的より少ない容積を有する分離した細孔は、上述のように細孔４１０の内部に捕捉された気体の急速な圧縮により、高い背圧を加えるのを可能にする。
【００２４】
複数の細孔４１０の構成を記述するために、各種の構成パラメータを定義することができる。本明細書で定義したこれらのパラメータ及び選択範囲は、上に説明した解析に基づいて選定した。これらの実施形態の場合に、背圧の生成において高い有意性があると判明したパラメータは、細孔径ａである。一般的に、液滴の衝突時に生成される背圧の大きさは、ａが増加するにつれて減少するので、比較的大きい細孔径を有する細孔は、液滴衝突速度が比較的低いと予想される用途での使用に対して選択することができ、一方より小さな細孔径は、衝突速度が高いと予想される用途に対して選択することができる。
【００２５】
図５は、背圧の生成を可能にする細孔の能力に対する細孔径の影響を示す。この図を作成した解析において、固有濡れ性（すなわち、凹凸を付けていない滑らかな表面の濡れ性）は、１１０度の接触角を生成するのに十分であると想定され、液滴衝突は、表面に対して垂直な線内で移動する液滴によって起こると想定された。法線衝突は、液滴によって表面上に加えられる圧力に関して最悪ケースのシナリオであるので、垂直（法線）衝突を想定することは、設計を保守的なものにすることをここでまた全体にわたって注目すべきである。表面との直角とは異なる角度で発生する衝突は、液滴によって加えられるより低い圧力を生じる。プロットした曲線は、毛細管圧及び細孔内でのガス圧縮による抗力の両方を考慮して、液滴のベルヌーイ圧が衝突において生成される背圧に等しいと予想した場合の細孔半径（すなわち、ａ／２）及び液滴速度を表す。細孔内のガス圧縮により生じる圧力は、細孔高さの３／４の貫入深さを使用して計算した。この深さは、ガス圧縮圧力の作用を例示するために選定した。プロットの曲線の下方に存在する領域内での細孔径は、液滴濡れに対して非常に良好な耐性を示すと予想され、一方曲線の上方の状況の場合には、大きな濡れが予想される。本発明の実施形態が、図５に示す曲線上又は曲線の下方の区域内に存在するあらゆる点を含むことは、当業者には明らかであろう。幾つかの実施形態では、ａは、最大１０マイクロメートル又は最大１マイクロメートルのような最大約１００マイクロメートルであり、図５によるこれらのａの値は、液滴速度が約４０ｍ／ｓを超えないと予想されるようなより低速度の用途に対して適切な背圧をもたらすと予想される。特定の実施形態では、ａは、最大１００ナノメートル（ｎｍ）であり、図５によるとこのａの値は、最大約６０ｍ／ｓの液滴速度の場合に濡れに対する適切な耐性を与えることができる。一層高い背圧の生成を必要とする特定の実施形態では、ａは、最大約２０ｎｍである。ａは、幾らかの非零値を有するように意図しているが、非常に高速度の用途における最高のレベルの濡れ耐性を得るためには、１ｎｍもの小さい又は実施可能な場合にはさらに小さいａの極小値が望ましいことが分かるであろう。
【００２６】
これらの実施形態における関心がある別のパラメータは、比率ｈ／ａによって定義される細孔のアスペクト比である。表面部分４００が複数の細孔４１０含む実施形態の場合には、アスペクト比は、背圧の生成に殆ど影響を与えないように見える。しかしながら、表面が時間の経過と共に浸食性又は機械的磨耗を受ける可能性がある場合には、この比率は、重要なものとなる。そのような用途では、適切に大きいｈ／ａは、細孔が表面における磨耗にもかかわらず存続することになるのを保証するために望ましい。表面部分４００の厚さ、及び従ってｈは、表面部分４００の予想磨耗速度及び所望の有効寿命に基づいて選択される。
【００２７】
比率ｂ／ａによって定義される相対細孔間隔もまた、特定の実施形態では関心があるパラメータである。一般的に、ｂ／ａが減少するにつれて、細孔数は増加し、衝突する液滴が付着するのに使用できる個体表面の量が減少する。従って、比較的小さい相対細孔間隔は、使用可能な接触表面積がより低いことにより、衝突液体の速やかな転落、氷付着の低減又はその両方を可能にすることができる。幾つかの実施形態では、ｂ／ａは、最大約１０である。転落促進、氷付着低減又はその両方の更なる一層の強化が望まれる場合には、この比率は、最大約６であり、特定の実施形態では、ｂ／ａは、最大約４である。
【００２８】
上述の実施形態によって得られる利点をさらに有効にするために、１つ以上のパラメータが、上述の実施形態のいずれかの組合せとして必要となる場合がある。例えば、幾つかの実施形態では、ａは、最大約１０マイクロメートルでありかつｂ／ａは最大約４であるが、他の実施形態では、ａは、最大約１０マイクロメートルでありかつｂ／ａは最大約６である。
【００２９】
上述の実施形態は、幾つかの有用な用途に役立つ。例えば、本発明の特定の実施形態は、そのような表面上への氷の形成、付着及び／又は蓄積を減少させると思われる。着氷は、航空機構成部品又はタービン（例えば、ガス又は風力タービン）構成部品のような物品の表面上に水滴（多くの場合過冷却された）が衝突し、表面上で凍結した時に生じる。航空機、タービン構成部品、並びに送電線、アンテナ及び太陽電池のような天候に曝される他の機器上での氷の堆積は、性能を低下させ、安全性リスクを増大させ、かつ定期的な氷の除去作業のためのコストを発生させる。特定の実施形態では、物品４２０は、例えば翼、尾翼、胴体又は航空機エンジン構成部品のような航空機の構成部品を含む。さらに別の実施形態では、物品４２０は、風力タービン組立体、ガスタービン組立体又は蒸気タービン組立体のようなタービン組立体の構成部品である。
【００３０】
本発明の実施形態における物品として適した航空機エンジン構成部品の非限定的な実施例には、ナセル入口リップ、スプリッタ前縁、ブースタ入口ガイドベーン、ファン出口ガイドベーン、センサ及び／又はそのシールド、並びにファンブレードが含まれる。ファンブレードのような特定の構成部品は、金属で作られることもあるが、多くの場合カーボン系の複合材料で作られる。そのようなケースでは、表面部分４００は、複合材料に取付けられた薄い金属箔とすることができ、上述の細孔４１０のような機構は、薄片上に配置される。別のケースでは、機構４１０は、上述のような被覆方法によって複合材料物品上に直接配置することができ、或いはその表面に一体形の機構を有するように複合材料物品自体を機械加工するか又は別の方法で形成することができる。
【００３１】
風速計及びタービンブレードのような様々な構成部品上への氷の堆積は、風力タービン運転の効率を低下させかつ安全性リスクを増大させるので、着氷は、風力タービンにおいて重大な問題である。風力タービンブレード及び他の構成部品は、重量軽減のためにグラスファイバのような軽量複合材料で作られることが多く、氷の堆積は、ブレードにその実効性を大きく低下させる点まで有害な荷重を加える可能性がある。本発明の特定の実施形態では、物品４２０は、風力タービン組立体のタービンブレード、風速計、ギアボックス又は他の構成部品のような構成部品である。機構４１０は、ジェットエンジンにおける複合材料ファンブレードについて上述したのと同様な方法で、そのような構成部品上に配置することができる。
【００３２】
天候に曝される他の構成部品もまた、氷及び／又は水の蓄積によって悪影響を受けるが、物品４２０の他の実施形態には、例えば、送電線、アンテナ及び太陽電池のような天候に曝される他の品目の構成部品が含まれる。衝突する降雨による濡れに抗する能力は、そのように曝される多数の構成部品に利点をもたらすことができ、本明細書に提示した実施例は、本発明の実施形態をそれらの指定した用途のみに限定するものとして解釈すべきではない。
【００３３】
上述のように、上記の実施形態の別の好適な用途は、蒸気タービン組立体における水分制御であり、この水分制御では、水滴が凝集して実質的により大きな水滴になる機会を有する前に構成部品から水滴を取除く能力は、浸食による構成部品の損傷を回避し、流体力学的及び熱力学的性能損失を減少させるのに役立つ。上述のように、幾つかの実施形態では、物品４２０は、風力タービン組立体、ガスタービン組立体又は蒸気タービン組立体のようなタービン組立体の構成部品である。ガス及び／又は蒸気タービン組立体用途における好適な構成部品には、タービンブレード、低圧蒸気タービンブレード、高圧蒸気タービンブレード、圧縮機ブレード、復水器及びステータ構成部品が含まれる。
【００３４】
別の実施形態では、図６を参照すると、表面部分５００は、複数の隆起部５１０を含み、複数の隆起部５１０は、メジアン径ａ、メジアン高さｈ及びメジアン間隔ｂを有する。数量ａ、ｂ及びｈは、少なくとも５ｍ／秒の相対速度で表面部分上に衝突する少なくとも約１マイクロメートルの液滴粒度を有する液滴に対応して、表面部分上への衝突時に液滴によって生成されるベルヌーイ圧よりも大きい背圧を生成するように選択される。幾つかの実施形態では、液滴粒度は、少なくとも約１０マイクロメートルであり、その速度は少なくとも約５０ｍ／秒である。この粒度及びこの速度を有する液滴による濡れに抗する能力は、上述のように表面部分５１０を天候に曝される風力タービン組立体構成部品、航空機構成部品及び他の構成部品のような用途で使用するのを可能にすることができ、この場合、着氷に対する耐性及び液滴を瞬時に取除く能力は、望ましい特性である。
【００３５】
前に説明したように、特定の機構構成パラメータの特定の範囲は、これらの条件下で濡れに抗する上で特に有効となることになる。表面機構が細孔である実施形態と対照的に、隆起部の場合には、相対機構間隔ｂ／ａは、背圧に大きな影響を与える。ｂ／ａの減少は一般的に、より高い背圧をもたらすが、同時に、液滴接触に使用可能な表面積は増大した状態になる。従って、高い背圧に対するニーズと表面への液滴付着の減少に対するニーズとの間にはトレードオフが存在することになる。
【００３６】
図７は、相対機構間隔及び機構寸法の背圧生成に対する影響を示す。この図に示すように、この影響はまた、上述した細孔を使用する実施形態と対照的に、到来する液滴の速度の関数である。図７では、所定の液滴速度についてのプロットした曲線の下方に位置する寸法及び相対間隔に特徴がある表面機構設計は、その所定の速度を有する液滴に対する大きな濡れ耐性を与えると予想される。これから明らかなように、曲線下方の区域によって示された有効な「設計スペース」は、予想速度が高くなるにつれてより小さくなり、許容機構寸法をより小さな値に押し込め、許容間隔を減少させる。図８は、転落挙動に対する相対間隔（ｂ／ａ）の影響を示す。この図には、垂直面から転落する前における液滴径を（ｂ／ａ）に対してプロットしており、転落は、比較的高い相対間隔値においてより容易に可能になることが明らかである。
【００３７】
柱が開放構造を有する（細孔と対照的に）ので、ガス圧縮作用による衝突抗力は、無視可能になる可能性がある。従って、機構アスペクト比ｈ／ａは、液滴の凹凸部内への貫入の動力学的考察から、表面の濡れ耐性において重大な役割を演じる可能性がある。しかしながら、その影響は、上述のような寸法及び相対間隔の影響と比較して、依然として比較的小さい。ここでも同様に、これらの実施形態でのｈの選択には、表面部分５１０の予想磨耗速度及び所望の寿命の考察が重要である。
【００３８】
従って、本発明の実施形態による隆起部の機構パラメータは、上述のトレードオフと磨耗の影響とを考慮に入れながら選択される。１つの実施形態では、ａは、最大約３００マイクロメートルであり、ｂ／ａは、最大約１０である。特定の実施形態では、ａは、最大約５０マイクロメートルであり、ｂ／ａは、最大約１０である。
【００３９】
幾つかの実施形態では、複数の隆起部５１０は、表面部分５００上に配置された規則正しい（すなわち、ランダムではない）配列を含むが、機構５１０のランダムな分布も、特定の環境下では有効となる場合がある。幾つかの実施形態では、規則正しい配列は、円筒形柱、矩形角柱及びピラミッド形角柱のような機構を含む。ランダムな分布は、これらの機構を含むことができ、幾つかの実施形態では、ランダムな分布は、樹枝状突起、ナノロッド、ナノチューブ、粒子破片及び擦り傷のような機構を含むことができる。複数の機構５１０がランダムに又は規則正しく分布するかどうかは、機構の特定のタイプ又は複数性を構成する機構に何の関係もないことに注目されたい。
【００４０】
本発明の別の実施形態は、タービンブレード（回転構成部品）、タービンベーン（固定構成部品）又は圧縮機ブレードのような蒸気タービン組立体の構成部品６００（図９）である。構成部品６００は、蒸気タービン組立体の流体流路６３０内に同伴された液体の到来する液滴６２０をインタセプトするように配向された表面部分６１０を含む。表面部分６１０は、複数の隆起部６４０を含み、この複数性は、これらのパラメータを図６に示したのと同様に、機構メジアン径ａ、機構メジアン高さｈ及び機構メジアン間隔ｂを有する。この実施形態では、ａ、ｈ及びｂは、相対速度ｖで表面部分６１０上に衝突する液滴６２０に対応して、該表面部分上への衝突時に液滴によって生成されるベルヌーイ圧よりも大きい背圧を生成するように選択される。この実施形態における隆起部６４０の分布及び形状は、図６に示す実施形態において説明したものと同一である。
【００４１】
多くの高圧蒸気タービン用途では、予想液滴径は、数十マイクロメートルになり、ｖは、少なくとも約１５０ｍ／秒である。低圧蒸気タービン条件では、はるかにより大きな液滴径（数百マイクロメートルになる）が生成されるが、液滴速度、及び従って衝突圧力は、高圧用途で観察されるものと実質的に変化しない。従って、有効な背圧を生成するのに必要な表面の凹凸は、高圧及び低圧蒸気タービン用途に対して同じである。これらの実施形態の幾つかでは、ａは、最大約５マイクロメートルであり、ｂ／ａは、最大約１０である。
【００４２】
本発明のさらに別の実施形態は、液体の衝突する液滴３１０による物品３００（図３）の濡れに抗する方法を含む。本方法は、物品３００に液体の到来する液滴３１０をインタセプトするように配向された表面部分３２０を形成する段階を含む。表面部分３２０は、所定の相対速度範囲内の相対速度で表面部分３２０上に衝突する液滴に対応して、衝突する液滴３１０によって生成される例えばベルヌーイ圧のような濡れ促進圧力よりも大きい背圧を生成するように該表面部分３２０上に配置された複数の機構３３０を含む。次に、表面部分３２０は、所定の相対速度範囲内の相対速度で運動する液滴３１０に曝して、液滴３１０が表面部分３２０上に衝突するようにする。特定の実施形態では、相対速度範囲は、少なくとも約５ｍ／ｓの速度を包含する。
【００４３】
上述したように、幾つかの実施形態では、機構３１０は、メジアン径ａ、メジアン高さ変位ｈ及びメジアン間隔ｂのようなパラメータに特徴があるようにすることができる。特定の実施形態では、上述した本方法はさらに、物品の予想作動条件に基づいて背圧最小要件を指定する段階と、機構特性パラメータ（例えば、ａ、ｂ、ｈ）の関数として背圧を計算する段階と、表面部分３２０が背圧最小要件よりも大きいか又はそれに等しい背圧を生成すると予想されるように、これらのパラメータの適切な値を選択する段階とを含む。一例として、物品３００の作動条件が、液滴速度が最大約６０ｍ／ｓになることを示す場合には、図５に示す細孔径の関数としての背圧の計算は、最大約１００ナノメートルの細孔メジアン径を指定する。従って、本発明の実施形態による表面機構として細孔を有する物品の設計においては、物品は、最大約１００ナノメートルの細孔メジアン径を有する細孔が形成されることになる。
【００４４】
表面部分３２０及び機構３３０の特定の特性は、使用する表面機構３３０のタイプに関わらず、上記の様々な実施形態全体にわたって共通である。例えば、幾つかの実施形態では、表面部分３２０は、セラミック、金属、半金属又はポリマーを含む。複数の機構３３０が細孔を含む場合には、表面部分３２０は、例えば陽極酸化金属酸化物のような多孔質材料を含む。陽極酸化アルミニウム酸化物は、幾つかの実施形態での使用に適したものとすることができる多孔質材料の具体的実例である。陽極酸化アルミニウム酸化物は一般的に、柱状細孔を含み、直径及びアスペクト比のような細孔パラメータは、陽極酸化プロセスによって精密に制御することができる。
【００４５】
特定の用途では、実使用条件は、ポリマー皮膜、フッ化材料及び他の伝統的な低濡れ性材料の使用を促すことになる。従って、本発明の特定の実施形態では、これらの材料を表面部分３２０に施工して、強化した濡れに対する耐性を得ることができる。しかしながら、例えば特定の医療装置、熱交換器、航空機構成部品及び航空機エンジンのようなターボ機械を含む、本発明の実施形態による低い濡れ性を有する物品の使用により利点を得ることになる多くの用途は、伝統的なポリマー系低濡れ性材料及び皮膜の使用を不可能にする厳しい化学的、熱的及び／又は摩擦的条件を受ける。従って、幾つかの実施形態では、表面部分３２０及びその機構３３０は、いかなるポリマー皮膜も含まず、すなわち幾つかの実施形態では、それらは、本質的に金属、金属間化合物、半金属又はセラミック材料で構成される。
【００４６】
本発明の幾つかの実施形態では、機構３３０は、金属、金属間化合物及び半金属からなる群から選択された材料を含む。これらの材料は、水又は油のような多くの重要な液体に対して中から高程度までの固有濡れ性を有するが、本発明の実施形態に従って物品表面を変更することにより、そのような材料で作られた物品の濡れ性を大きく低下させることができる。表面部分３２０及び機構３３０をそれで作ることができる好適な金属の実例には、それに限定されないが、アルミニウム、銅、鉄、ニッケル、コバルト、金、白金、チタン、亜鉛、スズ、並びに鋼、耐熱超合金及びアルミニウム合金のようなこれらの元素の少なくとも１つを含む合金が含まれる。好適な金属間化合物の実例には、それに限定されないが、上記に挙げた元素の少なくとも１つを含有するアルミナイド及びシリサイドのような化合物が含まれる。シリコンは、好適な半金属の１つの非限定的な実例である。幾つかの実施形態では、表面部分３２０は、機構３３０と同一の材料を含む。特定の実施形態では、表面部分３２０及び機構３３０は、一体形であり、特定の実施形態では、同一の金属組成を含む。
【００４７】
金属、セラミックス、半金属及び金属間化合物材料は一般的に、中から高程度までの濡れ性を有し、従って、本明細書で説明したような機構３３０を形成することによって表面凹凸を付ける効果は、機構３３０の固有濡れ性を低下させる手段なしに所望のレベルの濡れ性を得るには必ずしも十分でない場合がある。実際に液体と接触することになる表面部分３２０に使用する材料の固有濡れ性は、幾つかの実施形態では、液体の静止した液滴の場合に少なくとも約７０度の接触角を形成する程十分に低く、幾つかの実施形態では、この角度は、少なくとも約９０度であり、また特定の実施形態では、この角度は、少なくとも約１１０度である。
【００４８】
幾つかの実施形態では、表面部分３２０はさらに、表面エネルギー緩和材料（図示せず）を含む。この材料は、１つの実施形態では、表面部分３２０において材料層を覆うことによって形成されて、機構３３０を覆って配置された皮膜を形成する。疎水性硬質皮膜は、１つの好適な選択肢である。一般的に高い耐磨耗性を有するダイヤモンド状炭素（ＤＬＣ）皮膜は、濡れに対する耐性を向上させるために金属性物品に施工されてきた（例えば、米国特許第６，６２３，２４１号を参照）。窒化物又はタンタル酸化物などの酸化物のような他の硬質皮膜もまた、この目的の役割を果たすことができる。これらの硬質皮膜及びそれらを施工する方法（ＣＶＤ、ＰＶＤ等）は、当技術分野では公知であり、厳しい環境において特に使用することができる。フルオロシランのようなフッ化材料もまた、水を含む特定の液体に対して低い濡れを示す好適な皮膜材料である。最後に、条件が許す場合には、皮膜は、ポリマー材料を含むことができる。特定の液体による濡れに対して有効な耐性を持つことが知られているポリマー材料の実例には、シリコン、フッ化ポリマー、ウレタン、アクリレート、エポキシ、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、ポリエチレン又はそれらの混合物が含まれる。
【００４９】
それに代えて、分子、原子又はイオン種を表面部分３２０内に拡散又は注入することによって表面改質層を形成して、該表面改質層の下の材料に比較して変更した表面特性を有する材料の層を形成することができる。１つの実施形態では、表面エネルギー緩和材料は、例えばイオン注入金属のようなイオン注入材料を含む。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）イオンでの金属材料のイオン注入は、注入した材料の表面エネルギー（及び、従って濡れ性）を低下させることができる。例えば、Ａ．Ｌｅｉｐｅｒｔｚ他の「Ｄｒｏｐｗｉｓｅ  Ｃｏｎｄｅｎｓａｔｉｏｎ  Ｈｅａｔ  Ｔｒａｎｓｆｅｒ  ｏｎ  Ｉｏｎ  Ｉｍｐｌａｎｔｅｄ  Ｍｅｔａｌｌｉｃ  Ｓｕｒｆａｃｅｓ」、ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｌｔｔ．ｕｎｉ−ｅｒｌａｇｅｎ．ｄｅ／ｉｎｈａｌｔ／ｐｄｆｓ／ｔｋ＿ｇｒｅｎ．ｐｄｆ、及びＸｕｅｈｕ  Ｍａ他の「Ａｄｖａｎｃｅｓ  ｉｎ  Ｄｒｏｐｗｉｓｅ  Ｃｏｎｄｅｎｓａｔｉｏｎ  Ｈｅａｔ  Ｔｒａｎｓｆｅｒ：Ｃｈｉｎｅｓｅ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ」、Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ  Ｊｏｕｒｎａｌ、２０００、ｖｏｌｕｍｅ７８、８７−９３を参照されたい。
【００５０】
１つの実施形態では、窒化プロセス又は浸炭プロセスのような拡散硬化プロセスが、表面改質材料を配置するために使用され、従って、表面改質材料は、窒化材料又は浸炭材料を含む。窒化及び浸炭プロセスは、当技術分野では公知であり、これらのプロセスは、金属組成及び処理パラメータに応じて、金属の表面内に窒素又は炭素を拡散させ、かつ金属内に含有された強い窒化物形成又は炭化物形成元素が反応して窒化物材料の層又は窒化物粒子の分散を形成するのを可能にすることによって、金属表面を硬化させる。鋼の場合には、窒化プロセスは通常、約５００℃〜５５０℃の温度範囲で行われる。当技術分野では公知の窒化プロセスには、プロセスで使用する窒素源の状態に基づいてそのように命名された、イオン窒化、ガス窒化及び塩浴窒化が含まれる。これらのプロセスは、金属表面エネルギーを低下させることに対して注目すべき可能性を示した。１つの実施例では、３２マイクロインチの表面仕上げを有する４０３鋼の接触角（基準液体として水を使用して測定した）は、イオン窒化によって約６０度から約１１５度に増大した。鏡面仕上げ試料（＜２マイクロインチ）に施工した窒化表面の予備表面観察によると、窒化プロセスは、金属の固有表面エネルギーを減少させることに加えて、表面にナノスケール機構を堆積することができることを示唆している。
【００５１】
表面改質層は、表面部分３２０上に機構３３０を形成した後に施工することもできる。それに代えて、機構３３０は、表面部分３２０上に表面改質層を施工した後に形成することもできる。順序の選択は、使用する特定の処理方法と機構３３０及び表面部分３２０に対して使用する材料とに応じて決まることになる。
【００５２】
多くの用途では、一部には、衝突する液滴がより小さな液滴に分裂する可能性があり或いは液滴径の範囲が環境内に本来的に存在する可能性があり、従って上述の効果を維持するためにはより小さい寸法規模の機構が存在する必要があるので、複数寸法規模の機構が望ましい。さらに、複数寸法規模の機構の存在は、上述のように凹凸を付けた表面上で得られる低い濡れ性の作用を増大させて、機構の寸法、形状及び配向のより広い許容範囲を可能にする。図１０に示すように、幾つかの実施形態では、少なくとも１つの機構８００は、該機構８００上に配置した複数の二次的機構８１０を含む。図１０に示す実施例は、同一の二次的機構８１０の規則正しい配列を示しているが、そのような配列は、一般的な要件ではなく、すなわち寸法、形状及び配向におけるランダムな配置及び別の分布が、特定の用途では適切となる場合がある。二次的機構８１０は、機構の基準面８２０を基準とする高さ寸法ｈ’（二次的機構は、面８２０の上方に突出するか又は面８２０の下方に深さｈ’まで機構８００内に配置された細孔であるかのいずれか）、幅寸法ａ’及び間隔寸法ｂ’を特性とし、全てのパラメータは、上述のａ、ｂ及びｈに類似させて定めることができる。パラメータａ’、ｂ’及びｈ’は多くの場合、所望の用途に対して特有な条件に基づいて選択されることになる。幾つかの実施形態では、ａ’、ｂ’及びｈ’は全て、約１ｎｍ〜約１０００ｎｍの範囲内にある。
【００５３】
二次的機構の別の実施例を図１１に示す。この実施例では、細孔９００は、表面部分９１０上に配置された空洞機構である。この例示的な実施形態では、空洞壁９１５は、該空洞壁９１５に配置された二次的機構９２０を含む。二次的機構９２０は、空洞壁９１５の上方に突出する構造とするか又は空洞壁９１５内に配置された陥凹部とすることができる。特定の実施形態では、二次的機構９２０は、例えば１マイクロメートルよりも小さい上述の高さｈ’、幅ａ’又は間隔ｂ’のような特性寸法を有する。
【００５４】
本発明の実施形態のいずれを意図するかにかかわらず、機構３３０（図３）は、多数の方法によって製作しかつ物品３００に対して形成することができる。幾つかの実施形態では、機構３３０は、物品３００の表面部分３２０上に直接製作される。他の実施形態では、機構３３０は、別個に製作され、次に表面部分３２０において物品３００上に配置される。物品３００上への機構３３０の配置は、機構３３０を個々に取付けるによって行うことができ、或いは機構３３０は、後で物品３００に取付けられるシート、箔又は他の適切な媒体上に配置することができる。いずれのケースにおける取付けも、それに限定されないが、溶接、ろう付け、機械的取付け或いはエポキシ又は他の接着剤による接着取付けのようあらゆる適切な方法によって達成することできる。
【００５５】
機構３３０の配置は、物品の表面上に材料を堆積させることによって、表面から材料を除去することによって又は堆積及び除去の両方を組合せることによって、達成することができる。当技術分野では、材料を付加する方法又は表面から材料を除去する多くの方法が知られている。例えば、研磨、グリットブラスト又はショットピーニングのような機械的処理による表面の単純な粗面加工は、適切な媒体／工具及び表面材料を選択する場合には、適切なものとなる。そのような加工は一般的に、表面上にランダムに配向された機構の分布をもたらすことになるが、機構の寸法−規模は、材料除去作業に使用する媒体及び／又は工具の寸法に大きく依存することになる。リソグラフ法は通常、金属表面を含むエッチング可能な表面上に表面機構を形成するのに使用される。機構の規則正しい配列は、これらの方法によって容易に形成することができ、これらの方法により使用可能な機構寸法の下限値は、適用する特定のリソグラフプロセスの分解能によって制限される。同じ脈絡の中で、電気メッキ法もまた、通常、表面に対して機構を付加するのに使用される。導電性表面は、その上に機構が配置されることになる領域を露出するようなパターン配列でマスクすることができ、これらの露出領域上にメッキによって機構を形成することができる。この方法は、エッチング法によって通常得られるものよりもより高いアスペクト比を有する機構の形成を可能にする。特定の実施形態では、マスキングは、良好に制御した細孔径を有する陽極酸化アルミニウム酸化物（ＡＡＯ）テンプレートを使用することによって達成される。材料は、細孔を通して基体上に電気メッキされ、次にＡＡＯテンプレートが選択的に除去される。当技術分野では、このプロセスは通常、ナノロッドのような高アスペクト比の機構を形成するために使用される。金属及び金属酸化物のナノロッドは、一般に公知の処理法を使用して堆積させることができ、これらの材料をさらに処理して（例えば、浸炭によって）、炭化物のような各種のセラミック材料を形成することができる。機構に皮膜を施工して、上述のようなさらに良好な濡れ特性を得ることができる。
【００５６】
レーザ微細加工（通常、例えばシリコン及びステンレス鋼に対して使用される）のような微細加工法及びエッチング法（通常、シリコンに対して使用される）は、同様に好適な方法である。そのような方法を使用して、空洞（レーザ穿孔加工におけるような）及び突出した機構を形成することができる。要約すれば、当技術分野で一般に公知の多数の堆積プロセス又は材料除去プロセスのいずれかを使用して、表面に対して機構を施工することができる。上述のように、機構は、物品３００上に直接施工するか、又はその後物品３００に取付けられる基材に対して施工することができる。
【００５７】
実施例
以下の実例は、本発明の例示的な実施形態をさらに説明するために示すものであり、本発明を限定するものとして解釈すべきではない。
【００５８】
実施例１：特有の凹凸を付けた表面を有する３つの試料を、その後に反応性イオンディープエッチングが続く標準的フォトリソグラフィ法を使用してシリコンから製作した。試料Ａは、幅１５マイクロメートル及び間隔１５０マイクロメートルの矩形角柱機構を有していた。試料Ｂは、幅１５マイクロメートル及び間隔５マイクロメートルの矩形角柱機構を有していた。試料Ｃは、幅３マイクロメートル及び間隔３０マイクロメートルの矩形角柱機構を有し、さらに二次的機構（上述の）として柱に付加されたシリコンリッチ樹枝状突起を有していた。樹枝状突起は、約１００ｎｍの平均距離だけ間隔を置いて配置されており、反応性イオンエッチングプロセスの間に選択的エッチング及び再堆積によって柱上に成長した。各試料は、蒸着によってトリデカフルオロ−１、１、２、２テトラヒドロオクチルトリクロロシラン（以降は「フルオロシラン」）で被覆された。試料は次に、約３ｍ／ｓの速度を有する１ミリメートル半径の水滴による衝突を受けるようにした。従って、液滴は、衝突時に約１５００キロパスカル（ｋＰａ）の水撃圧及び約５ｋＰａのベルヌーイ圧を有しており、試料Ａ、Ｂ及びＣは、それらの機構寸法、形状及び間隔に基づいて約０．０８ｋＰａ、１２ｋＰａ及び１２００ｋＰａのそれぞれの背圧を生成すると予想された。各ケースにおいて、衝突した液滴は、最初は衝突直後に同様の広がり挙動を示したが、その後は際立って異なる縮小（ｒｅｔｒｃｔｉｎｇ）挙動を示した。試料Ａに衝突した液滴は、認め得るほど縮小せず、試料との大きな接触を維持した。試料Ｂに衝突した液滴は、ほぼ完全に縮小して、衝突前の液滴の直径の小部分である接触面積のみを維持した。試料Ｃに衝突した液滴は、完全に縮小して、試料から完全に離昇した。
【００５９】
実施例２：試料Ｂはまた、試料に対して１０ｍ／ｓで運動する直径３５０マイクロメートルの液滴による衝突を受けるようにした。従って、液滴は、約５０００ｋＰａの水撃圧及び約５０ｋＰａのベルヌーイ圧を有していた。実施例１で説明したように、試料Ｂは、１２００ｋＰａの背圧を生成すると予想された。衝突した液滴は、ほぼ完全に縮小した。
【００６０】
実施例３：カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）ナノ構造で被覆したシリコンの試料を、炭素源としてエチレン及びメタンを使用しかつ触媒として４対１ニッケル−鉄合金を使用して、化学蒸着プロセスによって製作した。この試料は次に、実施例１におけるのと同様に蒸着によってフルオロシランで被覆した。ＣＮＴ直径はおよそ１００ｎｍであったが、ＣＮＴコイルでありまたランダムに配置されるので、平均有効間隔は推定するのが困難であった。試料は、実施例１及び実施例２におけるものと同様に、それぞれ３ｍ／ｓ及び１０ｍ／ｓで運動する液滴による衝突を受けるようにした。３ｍ／ｓで運動する液滴は、完全に縮小したが、１０ｍ／ｓで運動する液滴は、ほぼ完全に縮小した。
【００６１】
実施例４：ナノポーラスアルミニウム酸化物の試料を、室温で０．３モルのシュウ酸溶液内にアルミニウム被覆シリコンを浸漬（一定の４０ボルト直流、６分間）して、厚さが約１マイクロメートルの多孔質陽極酸化アルミニウム酸化物（ＡＡＯ）層を生成することによって製作した。これらの細孔は次に、０．２モルのリン酸溶液を用いて室温で１２０分間拡大させて、約１０ナノメートルの代表的なエッジ−エッジ間隔を有する約９０ナノメートルの平均細孔径を生成した。この試料は次に、実施例１におけるのと同様に蒸着によってフルオロシランで被覆した。試料は、１０ｍ／ｓ及び２０ｍ／ｓで運動する液滴による衝突を受けるようにした。従って、液滴は、それぞれ約５０００及び１００００ｋＰａの水撃圧と約５０及び２００ｋＰａのベルヌーイ圧とを有していた。この試料は、その機構寸法及び形状に基づいて約１０００ｋＰａの背圧を生成すると予想された。２０ｍ／ｓで運動する全ての液滴は、ほぼ完全に縮小した。１０ｍ／ｓで運動する液滴は、混合した挙動を示し、すなわち幾つかの液滴は、２０ｍ／ｓ液滴に類似した状態を示し、一方他の液滴は、完全に縮小した。
【００６２】
実施例５：ＣＦ６型航空機エンジン（第１段）からのベーンを、実施例３で説明したパラメータを使用してＣＮＴで被覆した。ベーンの前縁は、約３ｍ／ｓで運動する１ミリメートル半径の液滴による衝突を受けるようにした。かなり前に説明した実施例での試料とは対照的に、前縁は、数ミリメートルの曲率半径で大きく湾曲している。液滴は、完全に縮小した。
【００６３】
実施例６：約１インチの直径を有する６０６１アルミニウムで構成したパイプを、最初に細目サンドペーパで研磨し、次に実施例４で説明したものと同様の陽極酸化プロセスによってＡＡＯで被覆した。この湾曲面は、約３ｍ／ｓで運動する１ミリメートル半径の液滴による衝突を受けるようにした。液滴は、完全に縮小した。
【００６４】
本明細書では様々な実施形態を説明してきたが、当業者が様々な要素の組合せ、変更、均等物又はそれらにおける改良を行うことができ、またそれらが依然として特許請求の範囲で特定した本発明の技術的範囲内に属することは、本明細書から明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】凹凸を付けた表面上に置かれた液滴の概略断面図。
【図２】凹凸を付けた表面上に置かれた液滴の概略断面図。
【図３】本発明の例示的な実施形態の概略断面図。
【図４】本発明の別の実施形態の概略断面図。
【図５】細孔半径対液滴速度のプロット図。
【図６】本発明の例示的な実施形態の概略断面図。
【図７】異なる液滴速度の範囲における柱寸法対相対間隔のプロット図。
【図８】表面からの液滴の転落前における最大液滴半径対表面上に配置した機構の相対間隔のプロット図。
【図９】本発明の例示的な実施形態の概略断面図。
【図１０】本発明の例示的な実施形態の概略断面図。
【図１１】本発明の例示的な実施形態の概略断面図。
【符号の説明】
【００６６】
１００  液滴
１２０  表面
１３０  機構
２００  表面
２２０  液滴
２３０  機構
３００  物品
３１０  液滴
３２０  表面部分
３３０  表面機構
４００  表面部分
４１０  複数の細孔
４２０  物品
５００  表面部分
５１０  複数の隆起部
６００  構成部品
６１０  表面部分
６２０  液滴
６３０  流体流路
６４０  複数の隆起部
８００  機構
８１０  二次的機構
８２０  機構基準面
９００  細孔
９１０  表面部分
９１５  細孔壁
９２０  二次的機構
【図１】
2007130747.tif 000004
【図２】
2007130747.tif 000005
【図３】
2007130747.tif 000006
【図４】
2007130747.tif 000007
【図５】
2007130747.tif 000008
【図６】
2007130747.tif 000009
【図７】
2007130747.tif 000010
【図８】
2007130747.tif 000011
【図９】
2007130747.tif 000012
【図１０】
2007130747.tif 000013
【図１１】
2007130747.tif 000014
【外国語明細書】
2007130747000001.pdf