(57)【要約】【課題】流体中を移動する移動体の速さ及び／又は方向を任意に制御することができる流体制御方法を提供する。【解決手段】移動体の表面に所望の速度に対応した疎水性コーティング及び親水性コーティングによる塗り分けを実施する。または、移動体の表面に両親媒性コーティングを予め塗布しておいて、そのコーティング面（制御面）に熱、光または磁場を作用することによりその制御面を所望の速度に対応した疎水性または親水性に変える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
両親媒性コーティングを、流体を移動する移動体の全部または一部の表面に塗布し、該塗布面に熱、光または磁場を作用させることにより前記移動体の速さ及び／又は方向を制御することを特徴とするコーティングによる流体制御方法。
【請求項２】
両親媒性コーティングを、流体に対し静止した静止体の全部または一部の表面に塗布し、該塗布面に熱、光または磁場を作用させることにより前記塗布面近傍を流れる前記流体の速さ及び／又は方向を制御することを特徴とするコーティングによる流体制御方法。
【請求項３】
前記両親媒性コーティングは、熱により疎水性または親水性が変化する両親媒性ポリマーから成る請求項１又は２に記載のコーティングによる流体制御方法。
【請求項４】
流体を移動する移動体の全部または一部の表面に疎水性コーティング及び親水性コーティングを塗り分けることにより、前記移動体の速さ及び／又は方向を制御することを特徴とするコーティングによる流体制御方法。
【請求項５】
流体に対し静止した静止体の全部または一部の表面に疎水性コーティング及び親水性コーティングを塗り分けることにより、前記静止体近傍を流れる前記流体の速さ及び／又は方向を制御することを特徴とするコーティングによる流体制御方法。
【請求項６】
前記親水性コーティングは光触媒を用いた親水性コーティングである請求項４又は５に記載のコーティングによる流体制御方法。
【請求項７】
前記流体は水である請求項１から６の何れかに記載のコーティングによる流体制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コーティングによる流体制御方法、特に両親媒性コーティングによるアクティブ流体制御方法または疎水性コーティング及び親水性コーティングの塗り分けによるパッシブ流体制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
流体を運動する物体、または物体中を流れる流体を扱う上で、流体制御は欠かすことのできないツール（手段）である。従来の方法では物理的に物体の制御面の向きを変えて流体を制御する方法や、物理的なアクチュエータを用いて流体の流量を増減させることにより流体を制御する方法等が取られている。
流体を運動する移動物体としては船舶や自動車、航空機などが挙げられる。他方、静止物体の内部または表面を流れる流体の例としては配管の内部を流れる流体や建築物表面を流れる流体などが挙げられる。上記流体制御法を用いて、前者の場合は移動物体の流体に対する抵抗軽減や運動方向の制御が可能となる。後者の場合は流体の抵抗軽減が主目的となる。以上のような高い社会的ニーズを背景として、種々の流体制御手段が提案されている。これらの流体制御手段は、主として流れ面の特性を変化させる場合と、流体の特性を変化させる場合に大別することができる。流れ面の特性を変化させる場合として、MEMS(microelectromechanical system)を用いて制御面を変形または振動させる場合がある（例えば、非特許文献１を参照。）。次に、流体の特性を変化させる場合としては、流量を増減することにより流体の特性を変化させる流体制御手段（例えば、非特許文献２を参照。）、又はプラズマを発生させて流れの組成を変化させる流体制御手段がある（例えば、非特許文献３を参照。）。これらの流体制御手段は機械的、電気的に制御する手段であり、物体の制御面を改修する問題がある。そのため、あらゆる物体に容易に適用できないという問題が残る。他方、これらの流体制御手段以外に、物体の表面に疎水性コーティングを施す化学的流体制御手段がある（例えば、非特許文献４を参照。）。この流体制御手段は、物体の表面に疎水性コーティングを施すことにより物体の流体抵抗を軽減する手段であり、流体制御に必要と考えられる親水性コーティングおよび両親媒性コーティングに関する知見はなされていない。
【０００３】
【非特許文献１】Composite Metal-Polysilicon MEMS Actuators for Flow Control(AIAA Paper,2003-784,2003)
【非特許文献２】Active Flow Control using Microelectromechanical Systems(AIAA Paper,2000-1561,2000)
【非特許文献３】Demonstration of Separation Delay with Glow-Discharge Plasma Actuators(AIAA Paper,2003-1025,2003)
【非特許文献４】Drag Reduction of Newtonian Fluid in a Circular Pipe with a Highly Water-Repellent Wall(Journal of Fluid Mechanics,Vol.381,pp.225-238,1999)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述した通り、従来の流体制御手段は、制御面を大規模に改修する必要や、流れそのものの組成を変える問題がある。また、コストの増大や、制御面を目的に応じて自由に変化できない点に課題が残る。
そこで、本発明は、かかる従来技術の問題点に鑑みなされたものであって、その目的は両親媒性コーティングを用いてのアクティブ制御または疎水性コーティング及び親水性コーティングの塗り分けによるパッシブ制御により、制御面の改修を伴わずにその制御面を目的に応じて自由に変化させることができるコーティングによる流体制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
前記目的を達成するために請求項１に記載のコーティングによる流体制御方法は、両親媒性コーティングを、流体を移動する移動体の全部または一部の表面に塗布し、該塗布面に熱、光または磁場を作用させることにより前記移動体の速さ及び／又は方向を制御することを特徴とする。
両親媒性コーティング（特に両親媒性の機能性高分子）は、それ自体に疎水基と親水基を持つため、熱、光または磁場を作用させ分子構造を変えることにより、疎水性または親水性を選択することができる。しかも、熱、光等の外部信号を与えた面のみ制御が働くため、その制御面の改修を伴わずに制御面の水性・位置・範囲を自由に変えることができる。従って、制御面を目的に応じてこのように自由に変えることにより、移動体の速さ及び／又は方向をアクティブに制御することが可能となる。
また、熱により疎水性、親水性を変化させることができる両親媒性のコーティングが報告されているが、上記コーティングによる流体制御方法では、この原理を利用して熱だけでなく光や磁場等によっても疎水性あるいは親水性の制御面をアクティブに変化させることで移動体の速さ及び／又は方向を効果的に制御する。
【０００６】
前記目的を達成するために請求項２に記載のコーティングによる流体制御方法は、両親媒性コーティングを、流体に対し静止した静止体の全部または一部の表面に塗布し、該塗布面に熱、光または磁場を作用させることにより前記塗布面近傍を流れる前記流体の速さ及び／又は方向を制御することを特徴とする。
上記コーティングによる流体制御方法では、両親媒性コーティングを静止体に塗布し、熱、光、磁場等によってその制御面を目的に応じてアクティブに変化させることで静止体近傍を流れる流体の速さ及び／又は方向を効果的に制御する。
【０００７】
請求項３に記載のコーティングによる流体制御方法では、前記両親媒性コーティングは、熱により疎水性または親水性が変化する両親媒性ポリマーから成ることとした。
上記コーティングによる流体制御方法では、コーティングとして両親媒性ポリマーを採用することにより、スプレー等の形態で使用することが可能となる。これにより、塗布面の形状に依らずに制御面を容易に形成することができる。
【０００８】
前記目的を達成するために請求項４に記載のコーティングによる流体制御方法では、流体中を移動する移動体の全部または一部の表面に疎水性コーティング及び親水性コーティングを塗り分けることにより、前記移動体の速さ及び／又は方向を制御することを特徴とする。
疎水性、親水性表面がそれぞれ水をはじく、引きつける性質を持つことは報告されている。また、疎水性コーティングを利用して水の抵抗を減らす研究は行われている一方、水の抵抗を増す親水性コーティングを流体制御に利用する研究はなされていなかった。
しかしながら、本願の発明者はこれらの知見を基に鋭意実験を重ねた結果、疎水性コーティング又は親水性コーティングのどちらか一方に限定せず、双方を用いたこれらの塗り分けが、物体の流体特性を効果的に変化させることを見出した。
そこで、上記コーティングによる流体制御方法では、疎水性コーティング及び親水性コーティングの双方を用いて移動体の表面を目的に応じて塗り分けることにより移動体の速さ及び／又は方向を任意に制御するようにした。
【０００９】
前記目的を達成するために請求項５に記載のコーティングによる流体制御方法では、流体に対し静止した静止体の全部または一部の表面に疎水性コーティング及び親水性コーティングを塗り分けることにより、前記静止体近傍を流れる前記流体の速さ及び／又は方向を制御することを特徴とする。
上記コーティングによる流体制御方法では、上記請求項４と同様に、疎水性コーティング及び親水性コーティングの双方を用いて静止体の表面を目的に応じて塗り分けることにより、静止体近傍を流れる流体の速さ及び／又は方向を制御するようにした。
【００１０】
請求項６に記載のコーティングによる流体制御方法では、前記親水性コーティングは光触媒を用いた親水性コーティングであることとした。
上記コーティングによる流体制御方法では、上記親水性コーティングを用いることにより、疎水性コーティング及び親水性コーティングの塗り分けによるパッシブ流体制御が容易に実施できるようになる。
【００１１】
請求項７に記載のコーティングによる流体制御方法では、前記流体は水であることとした。
上記コーティングによる流体制御方法では、流体を水とすることにより、両親媒性コーティングによるアクティブ流体制御、ならびに疎水性コーティング及び親水性コーティングの塗り分けによるパッシブ流体制御が容易に実施できるようになる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明のコーティングによる流体制御方法によれば、以下に記す効果が期待される。
（１）両親媒性コーティングによりアクティブ制御が容易に実施できる。
（２）疎水性、親水性コーティングの塗り分けによりパッシブ制御が容易に実施できる。
（３）スプレー等によりどんな形状の制御面でも容易にコーティングすることができる。
（４）容易に制御面を構築できるので、船舶や自動車、航空機など流体を運動する物体、ならびに配管内の流れや建築物など物体中を流れる流体に対し適用可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図に示す実施の形態により本発明をさらに詳細に説明する。
【００１４】
図１は、本発明の疎水性コーティング及び親水性コーティングの塗り分けによるパッシブ流体制御に係る試験セットアップを示す説明図である。
この流体制御に係る試験は、疎水性コーティングと親水性コーティングによる塗り分けが施されたアルミ模型１に糸５を連結し、滑車７を介在させてその糸５の端部に錘６を繋いだ状態で、高さ１６１７mmの地点からアルミ模型１を直径１００mmの水柱２に落下させ、その落下地点から７２５mmに設置したレーザーシート3a及びフォトダイオード4a、そこから更に７１５mm下方に設置したレーザーシート3b及びフォトダイオード4bによってアルミ模型１のレーザーシート3a,3b間の移動時間ｔを計測することにより行った。また、フォトダイオード4a,4bが受光した光信号は、オシロスコープ８に取り込まれ、アルミ模型１の移動時間ｔはそれらを通過する際に起こる光信号の変化から求めた。
【００１５】
アルミ模型１はノーズ部が先細りコーン形を成した長軸物である。また、詳細については、図２を参照しながら後述するが、本実施例においては、疎水性コーティング及び親水性コーティングによる塗り分けが成された４種類のアルミ模型を使用した。
【００１６】
なお、本実施例においては、疎水性コーティングとして、商品名「超ガラコ」（株式会社ソフト99コーポレーション製）を使用し、親水性コーティングとしては、商品名「ハイドロテクト親水ガラスコートハンマーヘッド」（品番ENS245,TOTO株式会社製）を使用したが、疎水性コーティングまたは親水性コーティングはこれらに限定されない。
【００１７】
また、アルミ模型１を水柱２に落下させた時の、アルミ模型１の抵抗係数ＣDを評価するに際し、親水性コーティングを全表面に施したアルミ模型１の抵抗係数ＣD親水を基準にしてこれらの抵抗係数ＣDを評価した。
ここで、模型体積、重さ、濡れ面積はコーティングの種類によらず一定なので、親水性コーティングを基準にした抵抗係数（ＣD）の比（ＣD／ＣD親水）は次式で与えられる。
【数１】
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ここで、添え字の「親水」は、親水性コーティングを全表面に施した際の値であり、ｔはアルミ模型１がレーザーシート3a,3b間を移動するのに要した移動時間である。
【００１８】
図２は、本実施例におけるコーティングの塗り分けを示す説明図である。
各アルミ模型1a,1b,1c,1dは、直径１０mm、軸長１００mmで、先端部が先細りコーン形を成した長軸物である。そして、コーティングの塗り分けが流れ方向に対して垂直に成されている。ここで、「塗り分けが流れ方向に垂直」とは、塗り分け線を含む面の法線が流れ方向と平行になる塗り分けのことである。また、アルミ模型1a,1bの塗り分け線は、塗り分け比が３５対６５になるように、先端部から３５mmに設定されている。従って、アルミ模型1a,1bでは、この塗り分け線を境にして、疎水性コーティング１１と親水性コーティング１２の塗り分け（疎水３５％塗り分け、親水３５％塗り分け）が成されている。
【００１９】
アルミ模型1aは、先端部分を疎水性コーティング１１によって塗られ残部分を親水性コーティング１２によって塗られている。次に、アルミ模型1bは、先端部分を親水性コーティング１２によって塗られ残部分を疎水性コーティング１１によって塗られている。次に、アルミ模型1ｃは、全表面に疎水性コーティング１１が塗られている。最後に、アルミ模型1dは、全表面に親水性コーティング１２が塗られている。従って、上記数式１のＣD親水およびｔ親水は、アルミ模型1dの抵抗係数、およびレーザーシート3a,3b間の移動時間である。
【００２０】
また、参考として、アルミ模型に塗布された疎水性コーティングと親水性コーティングの各々の接触角を図３に示す。
【００２１】
図４は、アルミ模型の水中落下を示す写真である。
図４の（ａ）は、アルミ模型1a,1b,1c,1dがレーザーシート3aを通過した直後の写真であり、同（ｂ）は通過直後から０.１６５秒後の写真であり、同（ｃ）は０.３２０秒後の写真であり、同（ｄ）は０.４００秒後の写真である。
１００％親水性コーティングを全面に施したアルミ模型1dの値を基準に、上記数式１を用いて各アルミ模型1a,1b,1cの各抵抗係数の増減を求めると、３５％疎水性（先端）・６５％親水性（残）のアルミ模型1aの抵抗係数は５％減となり、３５％親水性（先端）・６５％疎水性（残）のアルミ模型1bの抵抗係数は１３％減となり、１００％疎水性コーティングのアルミ模型1cは２４％減となった。
【００２２】
また、コーティングの塗り分け比を５０％に設定して、同様に１００％親水性コーティングを全面に施したアルミ模型1dの値を基準にして、各抵抗係数の増減を求めると、５０％疎水性（先端）・５０％親水性（残）のアルミ模型の抵抗係数は２１％増となり、５０％親水性（先端）・５０％疎水性（残）のアルミ模型の抵抗係数は８％減となった。
【００２３】
以上の疎水性コーティング及び親水性コーティングの塗り分けによるパッシブ流体制御方法を用いることにより、従来の単一コーティングによる流体制御ではできなかった移動体（アルミ模型）の抵抗係数（速さ）を任意に制御することが可能となる。
【００２４】
また、上記パッシブ流体制御方法では、流れ方向に垂直に疎水性コーティングと親水性コーティングの塗り分けが行われているが、例えば、図５に示すように、流れ方向に並行に疎水性コーティングと親水性コーティングの塗り分けを行うことにより、移動体（アルミ模型）の運動方向を制御することが可能となる。従って、流れ方向に垂直な塗り分けと流れ方向に並行な塗り分けを組み合わせることにより、移動体の速さと運動方向を同時に制御することが可能となる。
【００２５】
ところで、上記疎水性コーティング１１及び親水性コーティング１２に代えて、熱を作用させると疎水性または親水性が変化する両親媒性ポリマー、例えばポリ（Ｎ-イソプロピルアクリルアミド）を用い、且つ、ヒータ等の熱供給手段をアルミ模型１に内蔵させることにより、疎水性または親水性コーティング面の特性（水性）に加え、疎水性または親水性コーティング面の位置および範囲（表面積）をアクティブに自由に変えることができるようになり、その結果、移動体の速さ、運動方向をアクティブに制御することができるようになる。また、両親媒性ポリマーの水性を変化させる信号供給手段は、熱の他、光または磁場等であっても良い。因みに、光を作用させることにより疎水性または親水性が変化する両親媒性ポリマーは、例えばアゾベンゼン自己組織化単分子膜である。
【００２６】
また、両親媒性ポリマーの水性を変化させる信号供給手段は、そのポリマーに外部から作用する形態であっても良い。
【００２７】
参考として、熱により疎水性、親水性が変化する両親媒性ポリマー（アクティブポリマー）の例を図６に示す。
図６の（ａ）は物体の表面温度を５３℃に設定したときの接触角を示し、その場合のアクティブポリマーは疎水性を示す。同（ｂ）は物体の表面温度を４１℃に設定したときの接触角を示し、その場合のアクティブポリマーは疎水性を示す。同（ｃ）は物体の表面温度を３２℃に設定したときの接触角を示し、その場合のアクティブポリマーは臨界状態を示す。同（ｄ）は物体の表面温度を２４℃に設定したときの接触角を示し、その場合のアクティブポリマーは親水性を示す。同（ｅ）は物体の表面温度を１２℃に設定したときの接触角を示し、その場合のアクティブポリマーは親水性を示す。
【００２８】
従って、物体の全表面にアクティブポリマーを予め塗布しておいて、目的に応じてその塗布面の温度を制御することにより、その温度に対応した疎水性コーティング又は親水性コーティングによる塗り分け状態を形成することが可能となる。また、ポリマーの形態で用いることにより、スプレー等によりあらゆる制御面への適用が可能となる。
【００２９】
また、上記実施例においては、移動物体についてのパッシブ流体制御またはその発展形であるアクティブ流体制御の例を示したが、移動物体に限らず静止物体についても本発明の流体制御方法は同様に適用することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３０】
本発明の流体制御方法は、航空機、船舶、自動車、配管内の各流れの制御に適用することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の疎水性コーティング及び親水性コーティングの塗り分けによるパッシブ流体制御を実施した試験セットアップを示す説明図である。
【図２】本実施例におけるコーティングの塗り分けを示す説明図である。
【図３】アルミ模型に塗布された疎水性コーティングと親水性コーティングの各々の接触角を示す写真である。
【図４】アルミ模型の水中落下を示す写真である。
【図５】本実施例における他のコーティングの塗り分けを示す説明図である。
【図６】熱により疎水性、親水性が変化する両親媒性ポリマー（アクティブポリマー）の例を示す写真である。
【符号の説明】
【００３２】
１    アルミ模型
２    水柱
３    レーザーシート
４    フォトダイオード
５    糸
６    錘
７    滑車
８    オシロスコープ
１１  疎水性コーティング
１２  親水性コーティング
【図１】
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【図２】
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【図５】
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【図３】
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【図４】
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【図６】
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