(57)【要約】  本発明は、基板(2)の表面(4)の少なくとも一部上にナノスケール粒子の堆積物を生成するためのデバイスであって、ナノスケール粒子を含んだ液体(8)を含有するための第1のチャンバ(14)であって、大気圧よりも高い圧力下にある第1のチャンバ(14)を備え、また前記流体をその沸点まで加熱するための加熱手段(16)と、第1のチャンバ(14)の圧力と実質的に等しい圧力の第2のチャンバ(20)であって、その中で沸騰により堆積が行われる第2のチャンバ(20)とを備え、加熱手段(24)は、基板(2)の表面(4)の前記少なくとも一部を加熱するために提供され、第1のチャンバ(14)は、実質的にその沸点まで加熱された流体を第2のチャンバ(20)に供給するように、第2のチャンバ(20)に接続されるデバイスに関する。
2012514689.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の表面の少なくとも一部上へのナノメートル粒子の堆積方法であって、
ａ）ナノメートルサイズの前記粒子を含有する液体を、その沸点近くの温度まで加熱するステップと、
ｂ）前記基板の表面の前記少なくとも一部を、前記沸点とほぼ等しい温度まで加熱するステップと、
ｃ）前記液体を前記表面に接触させるステップと、
ｄ）前記表面上で前記液体をその標準沸点より高い温度で沸騰させて、前記表面上への前記ナノ粒子の堆積をもたらすステップと
を含み、前記ステップａ）、ｂ）およびｃ）は、大気圧よりも高い圧力で生じる、方法。
【請求項２】
ステップｃ）が、前記表面に沿って前記液体を流動させることにより達成される、請求項１に記載の堆積方法。
【請求項３】
前記表面に沿った前記液体の流動が、０．１ｍ／ｓ以下の速度で生じる、請求項２に記載の堆積方法。
【請求項４】
１５０℃から２００℃の間の前記液体の沸点を有するように、印加される圧力が５バールから１０バールの間である、請求項１から３のいずれか一項に記載の堆積方法。
【請求項５】
前記液体中の粒子の濃度が、０．０１質量％から１質量％の間である、請求項１から４のいずれか一項に記載の堆積方法。
【請求項６】
前記粒子が、ＴｉＯ２、ＳｉＯ２、α−Ａｌ２Ｏ３、γ−Ａｌ２Ｏ３、ベーマイトＡｌＯ（ＯＨ）、ギブサイトＡｌ（ＯＨ）３、ＺｒＯ２、ＨｆＯ２、ＳｎＯ２、Ｓｂ２Ｏ５、Ｔａ２Ｏ５、Ｎｂ２Ｏ５、ＺｎＯおよび／または銀であり、前記液体が、水またはエチレングリコールである、請求項１から４のいずれか一項に記載の堆積方法。
【請求項７】
前記表面が、不連続的な領域で加熱される、請求項１から６のいずれか一項に記載の堆積方法。
【請求項８】
請求項１から７のいずれか一項に記載の方法を実行する熱交換器の熱交換表面を生成するための方法であって、堆積される粒子は、熱交換器内で使用されることを意図する熱交換流体に対し良好な湿潤性の特性を有する粒子である、方法。
【請求項９】
請求項８に記載の熱交換器の熱交換表面の生成方法であって、基板と、良好な湿潤性を有する粒子の層との間に低い湿潤性の粒子の層を形成するように、良好な湿潤性を有する粒子の堆積前に、粒子が前記熱交換流体に対し低い湿潤性を有する粒子であるステップａ）、ｂ）およびｃ）を含む第１段階が達成される、生成方法。
【請求項１０】
基板（２）の表面（４）の少なくとも一部上へのナノメートルサイズの粒子の堆積を達成することを意図するデバイスであって、堆積されるナノメートルサイズの前記粒子（６）を装填した液体（８）を含有することを意図する第１の筐体（１４）であって、大気圧よりも高い圧力に供される第１の筐体（１４）を含み、また前記液体をその沸点まで昇温させることができる、前記液体を加熱する手段（１６）と、前記第１の筐体（１４）の圧力とほぼ等しい圧力で加圧された第２の筐体（２０）であって、その中で前記ナノ粒子の堆積が生じる第２の筐体（２０）とを含み、加熱する手段（２４）は、前記基板（２）の表面（４）の少なくとも一部を前記沸点まで加熱するために提供され、前記第１の筐体（１４）は、前記第２の筐体（２０）に接続されて、液体が加熱された表面の前記一部と接触すると沸騰を開始するように、ほぼその沸点まで昇温させた液体を第２の筐体（２０）に供給する、デバイス。
【請求項１１】
前記第２の筐体（２０）が、少なくとも部分的に前記基板（２）により直接形成され、前記基板（２）が、２つの開いた端部を有するチャネルを形成し、前記チャネルの表面の少なくとも一部上に堆積が生じ、少なくとも１つの端部が、前記第１の筐体（２０）に接続されることを意図する、請求項１０に記載のナノメートルサイズの粒子の堆積物を生成することを意図するデバイス。
【請求項１２】
閉回路を形成するように、前記第２の筐体（２０）内に通過した後に前記液体を前記第１の筐体（１４）内に戻すための第２の接続（２２）を含み、全回路が加圧される、請求項１０または１１に記載のナノメートルサイズの粒子の堆積を達成することを意図するデバイス。
【請求項１３】
前記第１および第２の筐体が組み合わされている、請求項１０に記載のナノメートルサイズの粒子の堆積を達成することを意図するデバイス。
【請求項１４】
前記基板の表面に沿って低速度で前記液体を循環させる手段（２６）、例えば流体圧ポンプを含む、請求項１０から１３のいずれか一項に記載のデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、付着性が改善されたナノ粒子を堆積させるための方法、およびそのような方法を実行するためのデバイス、例えば熱的仕様が改善された熱交換表面の生成するためのデバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
熱交換器により、熱交換表面と呼ばれる表面と流体との間で熱が交換され得る。熱交換器は、多くの場合、非開放型熱交換構造、例えば複雑な形状の非常に大きな管またはプレートを含み、その材料は、金属、ポリマーまたはセラミック等様々である。
【０００３】
表面上での蒸発において、流体は表面から熱を抽出し、流体に運動が与えられて抽出された熱を放出する。
【０００４】
熱交換表面の選択における重要な特性は、その熱抵抗である。熱抵抗は、1/hS比に比例し、ここで、hは、交換壁と流体との間の熱交換係数であり、Sは、交換表面の面積である。この熱抵抗を低減することが求められるが、面積Sは一般に制限を受けるため、目的はhを増加させることである。表面を構造化することによりhを増加させることができる。高い熱流量を有する用途の場合は、表面上の蒸気膜の出現に対応する臨界沸騰流(critical boiling flow)の出現を遅延させることが求められ、この臨界沸騰流の出現後には熱交換が実質的に低下する。次いで表面の過熱が生じ、これが表面の破壊をもたらし得る。
【０００５】
また、高い湿潤性の特性を有する表面は、沸騰時に非常に満足し得る熱伝達仕様を有していたことが判明している。この観察は、文献:Y. Takata、S Hidaka、JM Cao、T. Nakamura、H. Yamamoto、M. Masuda、T. Ito、「Effect of Surface Wettability on boiling and evaporation」、Energy 30 (2005) 209〜220頁、文献:S. Ujereh、T. Fisher、I. Mudawar、「Effects of Carbon Nanotube Arrays on Nucleate Pool Boiling」、Int. J. of Heat and Mass Transfer 50(2007) 4023〜4038頁および文献S. Kim、H. Kim H.D.、Kim、S. Ahn、M. H. Kim、J. KimおよびG. C. Park、「Experimental Investigation of Critical Heat Flux Enhancement by Micro/Nanoscale Surface Modification in Pool Boiling」、ICNMM2008、2008年6月23〜25日、Darmstadt、Germanyに記載された。実際に、表面上の液滴の接触角が0°に近い場合、熱交換係数は実質的に改善されることが観察された。
【０００６】
良好な湿潤性を有する表面は、前記表面上に微小粒子、例えばナノ粒子tとも呼ばれるナノメートル粒子を堆積させることにより生成することができ、これらの粒子は熱交換器内で使用される流体に対し良好な湿潤性特性を有する。
【０００７】
そのような粒子は、様々な方法により表面上に堆積させることができる。
【０００８】
第1の種類の方法は、表面上に粒子の薄膜を堆積させることである。
【０００９】
第1の方法は、LANGMUIR-BLODGETT膜として知られる膜を表面上に堆積させることであり、この膜は、単層または多層の両親媒性分子、すなわち親水性末端および疎水性末端を有する分子からなる。そのような分子を含有する溶媒を、超純水を充填した容器内に一滴導入する。分子は、水の表面上に膜の形態で分布する。溶媒が蒸発した後、分子の親水性末端は水に向かって配列し、分子の疎水性末端は水の表面から離れて配列する。
【００１０】
分子は互いの間の空間を低減するように集合し、被覆される基板が水の表面に垂直に含浸される。分子膜は、毛細管圧により基板に付着する。次いで、数十の膜を積層させることができる。この技術は比較的複雑であり、実行するには長すぎる。さらに、平坦な表面を有する基板、または少なくとも比較的単純な構成を有する表面にのみ適用される。
【００１１】
また、化学気相堆積(CVD)法、より具体的にはMOCVD(有機金属化学気相堆積)法、またはPECVD(プラズマ化学気相堆積)法を使用することもできる。これらの方法は、被覆される表面が開放されサイズが制限されている基板に適用される。
【００１２】
例えば、MOCVDおよびPECVDは、25cm未満の直径を有する基板にのみ適用される。実際に、サイズの大きい表面上で堆積の均質性を制御することは困難である。
【００１３】
さらに、これらの方法は、300℃という非常に高い堆積温度を必要とし、これによりポリマー基板上への粒子の堆積には実行不可能となっている。
【００１４】
また、ナノ流体とも呼ばれるナノ粒子を含有する溶液を大気圧下で沸騰させることにより堆積物が得られる、基板上に粒子を堆積させる別の方法がある。
【００１５】
基板の表面でのナノ粒子の堆積は、各蒸気泡の下で発生する液体微細膜の蒸発により説明され、このナノ流体はナノ粒子を含有する。
【００１６】
この方法は、文献S. J. Kim、I. C. Bang、J Buongiorno、L. W. Hu、Wettability Change during Pool Boiling of Nanofluids and its effect on Critical Heat Flux Mass Transfer 50 (2007) 4105〜4116頁に記載されている。
【００１７】
この方法は、複雑な形状の基板に適用することができるが、このようにして生成されたナノ粒子の膜は、膜が容易に破壊され得るため基板に十分に付着しない。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１８】
【非特許文献１】Y. Takata、S Hidaka、JM Cao、T. Nakamura、H. Yamamoto、M. Masuda、T. Ito、「Effect of Surface Wettability on boiling and evaporation」、Energy 30 (2005) 209〜220頁
【非特許文献２】S. Ujereh、T. Fisher、I. Mudawar、「Effects of Carbon Nanotube Arrays on Nucleate Pool Boiling」、Int. J. of Heat and Mass Transfer 50(2007) 4023〜4038頁
【非特許文献３】S. Kim、H. Kim H.D.、Kim、S. Ahn、M. H. Kim、J. KimおよびG. C. Park、「Experimental Investigation of Critical Heat Flux Enhancement by Micro/Nanoscale Surface Modification in Pool Boiling」、ICNMM2008、2008年6月23〜25日、Darmstadt、Germany
【非特許文献４】S. J. Kim、I. C. Bang、J Buongiorno、L. W. Hu、Wettability Change during Pool Boiling of Nanofluids and its effect on Critical Heat Flux Mass Transfer 50 (2007) 4105〜4116頁
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
したがって、本発明の1つの目的は、微小サイズの粒子、より具体的にはナノ粒子を堆積させるための、単純で、複雑な形状の表面に適用可能な方法を提供することである。
【００２０】
本発明の別の目的は、より高い効率を有する熱交換器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
上に記載した目的は、被覆される表面をナノ流体と接触させることによるナノ粒子の堆積により得られる基板の表面のナノ構造化により達成され、被覆される表面もまた加熱され、沸騰により堆積が生じるように、ナノ流体は大気圧よりも高い圧力に維持される。
【００２２】
ナノ流体の加圧の効果は、沸点を上昇させることであり、これにより、ナノ流体が加熱され得る温度を上昇させることができ、したがって表面への堆積物の付着が改善される。
【００２３】
換言すると、堆積の条件は、標準沸点よりも高い高沸点での堆積を可能とするような条件である。しかしながら、これらの温度は、ポリマー基板上に堆積物が形成されることを可能にする。
【００２４】
ナノ流体の沸点を変更することにより、ナノ粒子の堆積物の特性は、実質的に改善される。沸点は飽和温度であり、この温度は圧力に依存する。
【００２５】
例えば、ナノ流体の沸点が150℃から200℃の間となるように、ナノ流体に圧力が印加される。
【００２６】
有利には、堆積段階の期間は10分を超え、ナノ粒子の堆積の均質性を著しく改善する。
【００２７】
変形実施形態において、基板の表面の全体的な構造化ではなく局所的な構造化を達成するために、基板の不連続な領域が加熱される。
【００２８】
したがって、本発明の主な主題は、基板の表面の少なくとも一部上にナノメートル粒子を堆積させるための方法であって、
a)ナノメートルサイズの前記粒子を含有する液体を、その沸点近くの温度まで加熱するステップと、
b)基板の表面の前記少なくとも一部を、前記沸点とほぼ等しい温度まで加熱するステップと、
c)液体を表面に接触させるステップと、
d)前記表面上で液体をその標準沸点より高い温度で沸騰させて、表面上への前記ナノ粒子の堆積をもたらすステップと
を含み、前記ステップa)、b)およびc)は、大気圧よりも高い圧力で生じる方法である。
【００２９】
有利には、ステップc)は、表面に沿って液体を流動させることにより達成され、表面に沿った液体の流動は、低速度、例えば0.1m/s以下の速度で生じる。
【００３０】
例えば、150℃から200℃の間の流体の沸点が達成されるように、印加される圧力は5バールから10バールの間である。
【００３１】
液体中の粒子の濃度は、例えば、0.01質量%から1質量%の間である。
【００３２】
堆積される粒子は、TiO2、SiO2、α-Al2O3、γ-Al2O3、ベーマイトAlO(OH)、ギブサイトAl(OH)3、ZrO2、HfO2、SnO2、Sb2O5、Ta2O5、Nb2O5、ZnOおよび/または銀であってもよく、流体は、水またはエチレングリコールである。
【００３３】
1つの変形実施形態において、表面は、不連続な領域で加熱される。
【００３４】
本発明の別の主題は、本発明による方法を実行する熱交換器の熱交換表面を生成するための方法であって、堆積される粒子は、熱交換器内で使用されることを意図する熱交換流体に対し良好な湿潤性の特性を有する粒子である方法である。
【００３５】
1つの例示的実施形態において、基板と良好な湿潤性を有する粒子の層との間に低い湿潤性の粒子の層を形成するように、良好な湿潤性を有する粒子の堆積前に、粒子が前記熱交換流体に対し低い湿潤性を有する粒子であるステップa)、b)およびc)を含む第1段階が達成される。
【００３６】
本発明の別の主題は、基板の表面の少なくとも一部上へのナノメートルサイズの粒子の堆積を達成することを意図するデバイスであって、堆積されるナノメートルサイズの前記粒子を投入した液体を含有することを意図する第1の筐体であって、大気圧よりも高い圧力に供される第1の筐体を含み、また液体をその沸点まで昇温させることができる、前記液体を加熱する手段と、第1の筐体の圧力とほぼ等しい圧力で加圧された第2の筐体であって、その中で前記ナノ粒子の堆積が生じる第2の筐体とを含み、加熱する手段は、基板の表面の少なくとも一部を前記沸点まで加熱するために提供され、第1の筐体は、第2の筐体に接続されて、液体が加熱された表面の前記一部と接触すると沸騰を開始するように、ほぼその沸点まで昇温された液体を第2の筐体に供給させるデバイスである。
【００３７】
有利な例において、第2の筐体は、少なくとも部分的に基板により直接形成され、前記基板は、2つの開いた端部を有するチャネルを形成し、チャネルの表面の少なくとも一部上に堆積が生じ、少なくとも1つの端部は、第1の筐体に接続されることを意図する。
【００３８】
本発明によるデバイスは、閉回路を形成するように、第2の筐体内に通過した後に液体を第1の筐体に戻すための第2の接続を含んでもよく、全回路が加圧される。
【００３９】
1つの例示的実施形態において、第1および第2の筐体は組み合わされている。
【００４０】
有利には、本発明によるデバイスは、基板の表面に沿って低速度で液体を循環させる手段、例えば流体圧ポンプを含んでもよい。
【００４１】
本発明は、以下の説明および添付の図面を使用してより良く理解される。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１Ａ】本発明による方法の堆積ステップの概略図である。
【図１Ｂ】本発明による方法の堆積ステップの概略図である。
【図１Ｃ】本発明による方法の堆積ステップの概略図である。
【図２】本発明による方法の例示的実行の概略図である。
【図３Ａ】本発明による方法によって得ることができる構造化の変形実施形態の概略図である。
【図３Ｂ】図3Aの拡大図である。
【図４Ａ】本発明による方法を使用して構造化され得る表面の様々な例の概略図である。
【図４Ｂ】本発明による方法を使用して構造化され得る表面の様々な例の概略図である。
【図４Ｃ】本発明による方法を使用して構造化され得る表面の様々な例の概略図である。
【図４Ｄ】本発明による方法を使用して構造化され得る表面の様々な例の概略図である。
【図５】本発明による、不連続的に構造化された表面の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００４３】
以下で説明されるナノ粒子の堆積方法は、様々な機能を有する全ての種類の物体上に堆積物を生成するために使用することができる。そのような表面の1つの有利な用途は熱交換であるが、本発明は決してそのような用途に限定されない。
【００４４】
図1Aから1Cには、以降ナノ粒子と指定されるナノメートルサイズの粒子6をその上に堆積しようとしている表面4を有する基板2に適用される、本発明による方法のステップを見ることができる。
【００４５】
本発明によれば、以降ナノ流体8と呼ばれる、ナノ粒子6を含有する溶液が使用される。
【００４６】
この溶液は、基板2の表面4と接触させられる。ナノ流体8は、その沸点に近いが有利にはその沸点未満の温度まで昇温され、基板2もほぼ沸点より高い温度に加熱される。
【００４７】
本発明によれば、最も高い沸点で堆積を達成することが求められる。これを達成するために、まず高い標準沸点を有する液体が選択され、次に、ナノ流体8の沸点がその標準沸点よりも高くなるように沸点を上昇させるため、ナノ流体8が加圧される。「加圧される」という表現は、本出願において、大気圧より高い圧力に供されることを意味する。
【００４８】
実際に、本発明者らは、堆積が生じる温度を上昇させることにより、ナノ粒子の堆積された層の付着性が増加したことを観察した。高温は、従来技術と比較して、作製される構造を変化させ、表面4へのナノ粒子の付着性を認め得るほどに改善する。実際に、本発明者らによれば、高温はin situ結晶化を可能にし、基板とナノ粒子との間のファンデルワールス力を増加させる。
【００４９】
蒸気泡9は、図1Aに概略的に示されるように、ナノ流体8中に存在する。ナノ粒子6が分散した液体は、図1Bに概略的に示されるように蒸発し、次いでナノ粒子は、基板2の表面4に付着して、ナノ粒子の層10を形成する(図1C)。
【００５０】
ナノ粒子の層10の厚さは、以下の関係式を使用して計算することができる。
【００５１】
【数１】
2012514689.tif 000003
【００５２】
式中、
【００５３】
【数２】
2012514689.tif 000004
【００５４】
は、後述の関係式(III)により与えられる初期堆積速度(m/s)であり、tは、沸騰時間(秒)であり、kは、以下の関係式(II)により定義される係数である。
【００５５】
【数３】
2012514689.tif 000005
【００５６】
式中、Qevaは、液体を蒸発させるために使用される熱流量(W/m2)である。
【００５７】
【数４】
2012514689.tif 000006
【００５８】
式中、φは、流体中のナノ粒子の体積濃度であり、Qは、表面熱流量(W/m)であり、ρgは、気相での密度(kg/m3)であり、Hfgは、液相から気相に変化するための潜熱である。
【００５９】
ナノ粒子の材料は、例えば、TiO2、SiO2、またはさらにα-Al2O3、γ-Al2O3、ベーマイトAlO(OH)、ギブサイトAl(OH)3、ZrO2、HfO2、SnO2、Sb2O5、Ta2O5、Nb2O5、ZnOおよび/または銀であり、それらを含有する液体は、例えば、水またはエチレングリコールであってもよい。
【００６０】
ナノ流体の圧力は、液体の沸点が150℃から200℃の間となるような圧力であり、したがって圧力は5バールから10バールの間である。
【００６１】
図2は、管2の内側表面4上のナノ粒子の堆積に適用される、本発明による方法を実行するためのデバイス12の例である。
【００６２】
デバイス12は、ナノ流体8を圧力下で沸点まで昇温させることが意図される第1の筐体14を含み、したがって第1の筐体14は、概略的に示され参照番号16で指定される加熱する手段と、概略的に示され参照番号18により指定される加圧する手段とを備える。
【００６３】
有利には、噴射されて堆積を達成するナノ流体の粒子のほぼ均一な濃度を確実とするために、第1の筐体14に撹拌システム19が提供される。
【００６４】
デバイスはまた、堆積が実際に生じる第2の筐体20を含み、第1の筐体14と第2の筐体20との間にダクト21が提供され、第2の筐体20内でナノ流体を圧力下でほぼその沸点まで昇温させる。
【００６５】
「すぐに堆積可能な」ナノ粒子を含む溶液は、第2の筐体20に導入される。ナノ粒子は事前に生成されており、溶液に添加されてナノ流体を形成する。
【００６６】
示された例において、第2の筐体20は、処理される管により直接形成される。
【００６７】
第1の筐体14から第2の筐体20にナノ流体を運搬するためのポンプ26が提供されてもよい。
【００６８】
さらに、第2の筐体20と第1の筐体14との間に、管から筐体14に流体を運搬するダクト22もまた提供される。
【００６９】
堆積デバイスはまた、示された具体的な場合において、第2の筐体内の基板を加熱する手段24を含み、加熱する手段は、被覆されるパイプにより直接形成される第1の筐体の外にある。
【００７０】
これらの加熱する手段24は、いかなる種類のものであってもよく、例えば、電気的なもの、電磁結合によるもの、または流体を使用する熱交換器による間接的なものであってもよい。さらに、管を、より一般的には基板を炉内に設置することが決定されてもよい。当業者に知られた他の全ての種類の加熱が適用可能である。
【００７１】
一例として、流体のナノ粒子濃度は、0.01質量%から1質量%の間であってもよい。
【００７２】
第1の筐体14内の圧力は、5バールから10バールの間であり、沸点は、150℃から200℃の間である。
【００７３】
管に適用される熱流量は、0.1W/cm2から100W/cm2の間である。
【００７４】
ここで、本発明によるナノ粒子の堆積について説明する。
【００７５】
ナノ流体は、筐体14内で、5バールから10バールにおいてその沸点Teまで加熱される。
【００７６】
管2は、ほぼ前記沸点Teまで加熱される。
【００７７】
ナノ流体は、その沸点を若干下回る温度にある時に、ポンプ26を用いて、加熱された管2内に運搬される。
【００７８】
有利には、管の全長にわたる管内の流体の一定濃度、ひいては管の長さに沿ったより均一な堆積を確実とするために、ナノ流体は非常に低い速度で管内に噴射される。ナノ流体流速は、約0.1m/sである。この循環は、ナノ流体中に発生した蒸気泡を放出するという利点を有する。
【００７９】
有利には、ナノ流体は、堆積される層の均質性を改善するために、ある相当時間、有利には少なくとも10分間循環される。実際に、堆積期間が長いほど、堆積される層の構造はより均一であることが観察されている。
【００８０】
示された例において、デバイスは閉ループで動作し、ナノ流体は、管内に通過した後筐体内に戻され、次いで管内に再噴射される。ナノ流体は筐体内で再び加熱される。流体は、ナノ粒子を再投入されてもよい。閉ループ動作により、完全に加圧された設備を形成することができ、特に密閉の点で生成を単純化する。しかしながら、開回路のデバイスも、本発明の範囲から逸脱しないことが理解される。
【００８１】
熱交換器用の熱交換表面を生成することが望ましい場合、熱交換器内で使用される流体に対し良好な湿潤性特性を有するナノ粒子の堆積物を生成することができる。使用される流体が水である場合、ナノ粒子は親水性特性を有する。「流体に対し良好な湿潤性特性を有するナノ粒子」という表現は、ナノ粒子を構成し、平坦表面を形成する材料自体が、流体に対し良好な湿潤性特性を有すること、すなわち、流体の液滴の外縁と平坦表面との間の接触角が90°未満であることを意味する。水の場合、表面は親水性と呼ばれる。低い湿潤性とは、流体の液滴と平坦表面との間の接触角が90°を超えることを意味する。
【００８２】
しかしながら、いかなる種類の特性を有するナノ粒子でも堆積され得ることが理解される。
【００８３】
さらに、特に効果的な交換表面を生成することが望ましい図3Aおよび3Bに示される方法の変形例において、湿潤性が低いかまたは湿潤性を有さないナノ粒子の第1の層28の堆積、および極めて湿潤性のナノ粒子の第1の層28を被覆する第2の層30の堆積が達成される。
【００８４】
したがって、熱交換器に使用される流体が水または水溶液である場合、基板上に堆積される第1の疎水性層28および第1の層28上に堆積される第2の親水性層30が生成される。図3Bに概略的に示されるように、疎水性層28に起因してより低いエネルギーで蒸気のクラスタ27が出現するが、同時に、親水性層30に起因して非常に湿潤性の表面の優れた特性が提供される。実際に、親水性層30は、蒸気泡9の脱着および表面の再湿潤を促進する。
【００８５】
したがって、この構造化により、核生成を開始させるために、湿潤性ナノ粒子を使用するだけで得られる構造化の場合よりも低い程度のエネルギーを必要とし得る。
【００８６】
図4Aから4Dは、様々な形状の部品の概略図であり、その表面の一部が本発明による方法を使用して処理され得る。閉鎖型の複雑な形状の表面が、本発明により簡単に構造化され得ることが分かる。
【００８７】
図4Aにおいて、基板は平坦表面102を有する平坦基板である。
【００８８】
図4Bにおいて、基板は管であり、その内側表面の構造化が図2と関連して説明されている。
【００８９】
図4Cにおいて、基板202は、空洞の正方形底面を有する角錐台の形状を有する。
【００９０】
図4Dにおいて、基板302は、開口を有するタンク型容器の形状を有する。
【００９１】
矢印Qは、堆積のために基板が供される熱流量を表している。
【００９２】
有利には、その表面が構造化されることが意図されるチャネルを形成する部品が、図1のデバイスによる堆積に特に好適である。
【００９３】
有利には、図2と関連して説明される方法によって、管を直接、その中で堆積が達成される加圧された筐体として使用することができ、これによりデバイスが単純化され、基板のサイズに関連した問題が少なくとも部分的に処理されて克服され得る。
【００９４】
開いた形状の基板の場合、デバイスは、基板とは別個の第2の筐体を有し、基板は第2の筐体内に設置される。この場合、構造化は、ナノ流体に接触可能な全ての基板表面上に生じる。
【００９５】
ナノ流体がその沸点まで加熱され、基板が含浸および加熱される単一の加圧された筐体を有する堆積デバイスもまた考えられる。この場合、ナノ粒子の堆積は、ナノ流体に接触可能な全ての基板表面上に生じる。
【００９６】
図2のデバイスは、閉じた表面の構造化に特に好適であり、閉じた表面は基板が導入されるべき設備のサイズにより限定されないため、任意のサイズの基板を構造化するという利点を有する。
【００９７】
さらに、材料によって、デバイス内に存在する圧力を変更することによりナノ流体の沸点を調節することができるため、様々な種類の材料上への堆積を達成することが可能である。したがって、ポリマー、例えばPC(ポリカーボネート)またはPEEK(ポリエーテルエーテルケトン)、PEI(ポリエーテルイミド)、PSU(ポリスルホン)、PPSU(ポリフェニルスルホン)、PA(ポリアミド)、POM(ポリオキシメチレン)、PBI(ポリベンズイミダゾール)、金属材料上のPPS(ポリフェニレンスルフィド)上への堆積を達成することが想定され得る。
【００９８】
さらに、本発明による方法は、大気圧での堆積の場合よりも急速で均一な堆積を可能にする。
【００９９】
さらに、本発明を使用して得られた堆積物は多孔質であり、その効果は比表面積を増加させることであり、これは熱交換器の場合において再湿潤に有利である。
【０１００】
堆積物の空隙率は、25%から80%の間、有利には約40%である。
【０１０１】
本発明により得られる堆積物の空隙率はまた、例えば、触媒として使用されるナノ粒子の場合において有利である。触媒として作用するナノ粒子、例えばPd、Pt、NiまたはCeOを使用することができ、または、その上に触媒粒子を堆積させるためにナノ多孔質形態で担体を生成することができる。
【０１０２】
上述の例においては、基板の表面上に均一および連続的な堆積物を生成することが求められる。しかしながら、本発明を使用して、図5に示されるように、表面の不連続的な構造化を非常に簡単に達成することもできる。基板の表面は、ナノ粒子の層で被覆しようとする領域32と、ナノ粒子で被覆しないようにする領域34とを含む。これを達成するためには、ナノ粒子の堆積を達成しようとする領域32を加熱するだけでよい。この場合、熱流量Qが領域32に適用され、一方沸騰するナノ流体が加熱領域32および非加熱領域34の両方の上を循環する。次いで、加熱領域32において局所的に堆積が達成される。
【０１０３】
基板上の粒子の付着性について、本発明による方法の有効性を示すために試験を行った。
【０１０４】
試験は、ナノ流体の液滴を使用した加熱表面上のナノ粒子の堆積を達成する試験であった。この場合、ナノ流体は水中のSiO2である。基板は、アルミニウムから作製される。基板およびナノ流体の3つの加熱温度、80℃、110℃および175℃での堆積を達成した。
【０１０５】
ナノ粒子を基板の表面上に堆積させる。次いで表面の一部を、「Taber 5750(登録商標)」と呼ばれるデバイスを使用して研磨する。
【０１０６】
視覚的に、温度が高いほど堆積物はより均一であることが観察された。
【０１０７】
表面形状測定装置を用いて研磨および非研磨表面の表面形状を測定することにより、堆積された粒子の付着性を測定したが、各温度に対する研磨により除去された粒子のパーセンテージを以下の表に示す。
【０１０８】
【表１】
2012514689.tif 000007
【０１０９】
堆積温度が高いほど、基板上のナノ粒子の付着性がより良好であることが観察される。
【０１１０】
本発明による堆積の方法は、二相性熱交換器(diphasic thermal exchanger)、二相性熱サイフォン(diphasic thermosiphon)、ヒートパイプの製造、および表面の親水性または疎水性処理の達成に特に好適である。
【符号の説明】
【０１１１】
2  基板、管
4  表面、内側表面
6  ナノ粒子
8  ナノ流体
9  蒸気泡
10  ナノ粒子の層
12  デバイス
14  第1の筐体
16  加熱する手段
18  加圧する手段
19  撹拌システム
20  第2の筐体
21  ダクト
22  ダクト
24  加熱する手段
26  ポンプ
27  蒸気のクラスタ
28  第1の層、第1の疎水性層
30  第2の層、第2の親水性層
32  領域、加熱領域
34  領域、非加熱領域
102  平坦表面
202  基板
302  基板
【図１Ａ】
2012514689.tif 000008
【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図５】
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【国際調査報告】
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