伝熱Journal of the Heat Transfer Society of Japan
ISSN 1344-8692

Vol. 46, No. 194
2007. 1

◇特集：固液界面の濡れ性の機構と制御◇

(1997 年 10 月 4 日 筆者撮影：右上の写真で黒い点は水遊びをしている人影)(地図は http://www.town.kumejima.okinawa.jp/kumejima%20no%20iti%20rekisi.html より)

久米島の畳石吉田

Tatami-Ishi in Kume Island

英生（京都大学）Hideo YOSHIDA (Kyoto University) e-mail: yoshida@mbox.kudpc.kyoto-u.ac.jp

泡盛の愛飲家の方には“久米仙”のふるさとと説明すると早いでしょう．那覇の西方約 80km，那覇から飛行機や高速船でアクセスできる久米島は，“続日本紀”[1] にも記録されている歴史ある島です．その久米島の東端 (奥武島) には，“畳石”と呼ばれる写真のような安山岩の溶岩の固まった痕が多数残されています．
個々の大きさは 1～2m 程度の五角形や六角形で，南北 50m，東西 250m の範囲に 1,000 個以上分布しています．これは，地学の分野で柱状節理と説明されるそうです [2, 3]．
筆者は，伝熱の視点から Bénard cell の一種と理解できるのではないかと長年思ってきましたが，どうもそうではないようです．というのは，本号でネイチャーQ を執筆いただいた地球物理学者の入舩先生から溶岩の動粘性係数と体膨張率のおおよその値を教えていただいたところ，畳石に関係する Ra 数は 1 のオーダー以下と推算されるためです．やはり，構造形成に関する文献 [4] 等で取り上げられている“mud crack”のように，自然対流ではなく熱物質輸送の結果生じる物質収縮の点から理解すべき現象であるようです．
ともあれ，この巨大な畳石の上に立ってエメラルドグリーンの海を眺めていると，この美しくかつ神秘な地球に生きることのできる感動に満たされます．皆様も沖縄を訪問される際には，ぜひ久米島にもどうぞ！
[1] 宇治谷 孟，続日本紀 (上) 全現代語訳，講談社学術文庫 (1992) の“巻第六 元明天皇 和銅六年正月－霊しょうそ いおおお け じ
亀元年八月”に以下のような記述がある：和銅七年(七一四年) 十二月五日 少初位下の太朝臣遠建治ら
みなみのしま
あま み
し かく
く み
が， 南 嶋 の奄美・信覚 (石垣)・球美 (久米) などの島民五十二人を率いて南嶋から帰った．
[2] 沖縄地学会編著，沖縄の島じまをめぐって [増補版], 日曜の地学 14, 築地書館 (1997), 124.
[3] 火山学者に聞いてみよう－トピック編－, http://wwwsoc.nii.ac.jp/kazan/J/QA/topic/topic133.html[4] Bejan Adrian, Shape and Structure, from Engineering to Nature, Cambridge University Press (2000).

伝熱2007 年 1 月

J. HTSJ, Vol. 46, No. 194

Vol. 462007

No. 194

January伝
目熱次〈新春特別講談〉
エネルギーの黎明，薩摩集成館物語······················································清水昭比古（九州大学）·················1〈追悼：内田秀雄先生〉
内田秀雄先生を偲んで························································· 齋藤孝基，飛原英治（東京大学）·················9〈Journal of Thermal Science and Technology 編修委員会より〉
Journal of Thermal Science and Technology (JTST)への論文投稿お願い······························································································· 高田保之（Editor-in-Chief）···············10〈特集：固液界面の濡れ性の機構と制御〉「固液界面の濡れ性の機構と制御」特集にあたって···························近久 武美（北海道大学）···············11
分子動力学的視点からみた固液界面の濡れ機構 ·······長山 暁子，鶴田 隆治（九州工業大学）···············12
接触角履歴と傾斜板上の液滴の転落について ··································加藤 健司（大阪市立大学）···············20
放射線誘起表面活性による濡れ性の機構とその制御·······················賞雅 寛而（東京海洋大学）···············28
プラズマ照射による濡れ性改善と相変化伝熱への応用···························高田 保之（九州大学）···············34
フラクタル構造による濡れの制御······························································辻井 薫（北海道大学）···············40
表面微細構造による濡れ性の制御······················································諸貫 信行（首都大学東京）···············46〈特別寄稿〉
沸騰の科学（９）········································································· 甲藤 好郎（東京大学名誉教授）···············52
清酒造りと「熱」································································································ 秦 洋二（月桂冠）···············58〈ネイチャーQ〉
地球深部の高温高圧状態をつくる······························································入舩

徹男（愛媛大学）···············63〈プロジェクト Q〉
極低温機器の開発·························································································中込

秀樹（千葉大学）···············68〈International Letter〉
ミュンヘン便り·····························································································小林健一（明治大学）···············77

〈シンポジウム・セミナー報告〉
キッズ・エネルギー・シンポジウム 2006 報告 ························ 青木 和夫（長岡技術科学大学）···············81
九州伝熱セミナーin 武雄 報告 ·································································光武 雄一（佐賀大学）···············83

r t Transfer〉〈Hea<
伝熱と季語 ····································································································前野一夫（千葉大学）···············84〈Library〉
花火学入門（吉田 忠雄，丁 大玉）······················································永井二郎（福井大学）···············85〈巻頭グラビア：heat-page〉
久米島の畳石 ································································································吉田

英生（京都大学）······· 表紙裏〈行事カレンダー〉 ············································································································································87〈お知らせ〉
第 44 回日本伝熱シンポジウムのご案内··············································································································88
事務局からの連絡···················································································································································91
編集出版部会ノート：·················································································村上 幸一（愛媛大学）···············96

Vol. 46, No. 194, January 2007
CONTENTS< Special Storytelling for New Year >Dawn of Modern Energy Use in Japan: Satsuma Shusei-kan Story
Akihiko SHIMIZU (Kyushu University)···························································································1< Memorial >In Memory of the Late Professor Hideo Uchida
Takamoto SAITO, Eiji HIHARA (The University of Tokyo)······················································9< Announcement on Journal of Thermal Science and Technology >Invitation of Submission for Journal of Thermal Science and Technology
Yasuyuki TAKATA (Editor-in-Chief) ····························································································10< Mechanism and Control of Surface Wettability in Solid-Liquid Interface >Special Issue on Mechanism and Control of Surface Wettability in Solid-Liquid Interface
Takemi CHIKAHISA (Hokkaido University)··················································································11
Wetting Behavior of the Solid-Liquid Interface Based on Molecular Dynamics Studies
Gyoko NAGAYAMA, Takaharu TSURUTA (Kyushu Institute of Technology)·······························12
On the Contact Angle Hysteresis and the Sliding Down of a Liquid Droplet on Inclined Surfaces
Kenji KATOH (Osaka City University)···························································································20
Mechanism and Control of Surface Wettability using Radiation Induced Surface Activation
Tomoji TAKAMASA (Tokyo University of Marine Science and Technology) ································28
Wettability Change by Plasma Irradiation and Its Applications to Phase Change Phenomena
Yasuyuki TAKATA (Kyushu University)·························································································34
Wetting Control with Fractal Structures
Kaoru TSUJII (Hokkaido University) ·····························································································40
Wettability Control with Surface Micro-Structure
Nobuyuki MORONUKI (Tokyo Metropolitan University)······························································46< Contribution >Science of Boiling (9)Yoshiro KATTO (Professor Emeritus of the University of Tokyo)···················································52“Heat” in Sake Brewing
Yoji HATA (Gekkeikan Sake Co., Ltd.)···························································································58< Nature Q >Generation of Pressure and Temperature of the Earth’s Deep Interior
Tetsuo IRIFUNE (Geodynamics Research Center, Ehime University) ············································63

< Project Q >Development of Cryogenic Temperature Apparatus
Hideki NAKAGOME (Chiba University) ·······················································································68< International Letter >Grüß Gott aus München
Kenichi P. KOBAYASHI (Meiji University) ···················································································77< Symposium/Seminar Report >Report on the Kids Energy Symposium 2006
Kazuo AOKI（Nagaoka University of Technology）·····································································81
Report of Kyushu Heat Transfer Seminar in Takeo
Yuichi MITSUTAKE（Saga University）······················································································83

r t Transfer >< Hea<Heat Transfer and Season Phrase
Kazuo MAENO (Chiba University) ·····························································································84< Library>
Hanabi-Gaku Nyuumon (Introduction to Firework)
By Tadao YOSHIDA, Daigyoku TEINiro NAGAI（University of Fukui）·····························································································85< Gravure: heat-page>
Tatami-Ishi in Kume Island
Hideo YOSHIDA（Kyoto University） ·······································································Opening Page

< Calendar > ····························································································································································87< Announcements > ···············································································································································88
Note from the Editorial Board: Mechanism and Control of Surface Wettability in Solid-Liquid Interface
Koichi MURAKAMI (Ehine University) ·····················································································96

新春特別講談

エネルギーの黎明、薩摩集成館物語
Dawn of Modern Energy Use in Japan: Satsuma Shusei-kan Story

清水 昭比古（九州大学）
Akihiko SHIMIZU (Kyushu University)e-mail: shimizu@ence.kyushu-u.ac.jp
思ひは遠く幕末の長州とともに、その動乱を収束

志士の雄叫び世の乱れなさしめたる維新回転大事業のげに日の本の躍動は中心地となったのでございます。

ここ鹿児島に発したりその力の源やいかにと尋ぬれ

それより既に星霜はば、言わずと知れた勇猛果敢の流れ流れて百余歳

薩摩武士。慶長五年は九月十五

眼下に望む鹿児島の日、かの天下分け目の関ヶ原。

街の灯火家々の西軍敗色濃厚と見るや惟新公島

窓にこぼれて数知れず

津義弘、死中に活を求めんとてなかでもネオン輝きて

敵中突破の大博打。爾来、薩摩

昼と見まがふ明るさに

兵子の剽悍ぶりは六十余州に遍行き交ふ人のさざめきの

く轟き、三成ごときに荷担して※暗闇、城山から見下ろす月明

喧しきの賑わひは矛を向けたる憎っくき島津なれ

かりの錦江湾が浮かび上がる。

天文館のその辺り

ど、その討伐には百万の大軍を新春特別企画として、清水昭比古
先生のご協力を得て、以下の『くれない講談』
から加筆・修正して本誌に掲載させていただきました。
と き 平成十四年十二月七日
ところ
鹿児島市中央公民館
講 談
神 田
紅
台 本
清水 昭比古九州経済産業局主催、エネルギー
カレッジフォーラム 2002 にて初演
（編集出版部会）

要するならんと見たる家康公、
時しも頃は癸丑嘉永六年六月

あえて敵対を咎めず島津家に薩影も清けき城山に三日、突如浦賀沖に現れました

摩大隅日向三州を安堵し、以来霜は凛冽地を覆いるは、ペリー提督座上の旗艦サ

二百数十余年、幕府は島津を遇

風は蕭蕭肌を刺す

スケハナ号以下四隻の日本遠征

するに腫れ物に触るようにした

南洲翁の洞窟のアメリカ東インド艦隊。のまねのでございます。

傍への小徑踏み分けてば砲弾の雨を降らして江戸をば

この薩摩武士の尚武の気風、やがて開ける薩摩潟

焼き尽くさむとの恫喝を以て幕徳川幕藩の世も連綿と受け継が

月影冴えて鎮まれる府に開国を迫りました。

れ、開闢以来の動乱に臨んで薩木の間隠れに漏る月の摩が、臆せず、怯まず、過たず、

鏡の海の只中に四方を圧して動かざる

太平の眠りを覚ます上喜撰

我が国を列強の重圧から守り維

地肌も荒き岩塊はたった四杯で夜も寝られず

新を成功させる原動力となったのでございます。然しながら、これぞ雄々しき櫻島
おりから起こる咆哮は以来十有五年、六十余州の国兵馬の響き地の唸り論は尊王攘夷佐幕開国と真っ二頂き近き噴煙につに分かれ、ついに幕府瓦解と今、鹿児島ご城下のはずれ磯

きらりと光る稲妻は相成り、明治維新を迎えるので邸の庭に佇めば、眼前に迫るは薩摩隼人の一閃のございます。

飽くまで勇壮無比の桜島。薩摩太刀の火花の様に似て

伝熱2007 年 1 月

そしてご当地鹿児島こそは、-1-

その実力の源はそれだけではございませんでした。

武士ならずともふつふつと血潮

J. HTSJ, Vol. 46, No. 194

新春特別講談のたぎるのを覚えますが、そのような嘘を言うとて世間様にはは、まるで手形の切れない中小傍らの一角に一棟の石造りの西とかくの評判の講釈師。

企業の社長さん。殿様稼業も楽洋館。これぞ英明並びなき名君、「ちょいと待った。薩長同盟もじゃない。げに求められるは、

薩摩二十八代島津 斉 彬 公が興

明治維新も知ってるけど、電気

リーダーシップと不退転の改革

せし我が国初の近代工場群集成も鹿児島から始まった？そんなの決意。とても馬鹿には勤まり館の址でございます。集成館ここと教わってませーん」

ません。

なりあきら

そは、薩摩藩が、他に先んじてそのご不審はごもっとも。でというわけで、時代は人を呼兵備を整え、国難に際して幕府も、本当なんです。本日会場をびます。幕末に天下の四賢公ととも列強とも対等にわたり合う

埋め尽くすのは日頃勉学に余念謳われたる名君は、まず土佐にを可能ならしめたる実力の、隠の無い学生さんの千二千。何ぼ

山内容堂公、越前福井は松平春

れた鍵でございました。集成館

嘘八百の講釈師でも、学生さん

嶽候、伊予宇和島には伊達宗城

あればこそ鹿児島は、当時紛れに嘘をいうては講談の神様に申公、そして我らがスーパースタ

も無き日本の最先進地域であっし開きができませぬ。

ー島津斉彬公。ペリーの恫喝にたのでございます。

むねなりてなわけで、本日のお題はエ

右往左往と腰の定まらぬ幕閣は

ネルギーの黎明、薩摩集成館の次第に信を失い、天下の耳目は一席、お時間までしばらくお付

一斉にこれら四賢公のご発言にき合いのほどを願い上げます。

集まったのでございます。今で言うオピニオンリーダーでござ

幕末維新の動乱には、下級武島津斉彬肖像（黒田清輝筆）（尚古集成館蔵）いますね。

士の中から幾多の草莽の士が澎

なかでも幕末史に燦然と輝く

湃と出でました。一方肝心の殿

名君中の名君、斉彬公の事跡は様はと言えば、錦糸を纏い御殿群を抜いておりました。公は、女中にかしづかれ、的確に時代を見抜き、幕府に国「苦しゅうない、近う寄れ」

防の要を説き、洋式兵備を整え、と鼻の下を伸ばしている御仁ば

藩内に学問武芸を奨励し、中でかりと思いきや、これがそうでも自然科学の研究を勧め、ついもないんですねえ。そもそも藩に我が国初の近代工場群集成館と申すもの、お家騒動と言えばを興したのでございます。

つぶされる。時々起こる大飢饉。

また、門閥に囚われず身分のォーラムでございます。城山か一揆が起こってもつぶされる。

低い武士の中から西郷吉之助、ら天文館のネオンサインを見下

たちまち藩士は路頭に迷い、食大久保一蔵ほか幾多の俊英を見うに事欠く傘張り浪人。さりと出して思う存分活躍させました。

エネルギー無くしては成り立たて武士は食わねど高楊枝、プラ「西郷吉之助とやら。鹿児島だ

ぬこと、なかでも膨大な量の電イドだけは捨てられません。士

けを見るな、日本を見よ。日本

農工商身分の上下は、ふところだけを見るな、世界を見よ。学“火を見るよりも”明らか。そぐあいに関しては丁度さかさま。

問を怠るまいぞ」

して、なんとこの集成館、意外大小帯びたお侍が上方辺りの「ははっ」

本日はエネルギーカレッジフ

ろせば、我が日の本の今の世が気を使っておりますることはにも、我が国の発電の歴史にお

あきんど

商人に、

人一倍感激屋の西郷さんの一いても 魁 の栄を担ったのでご「そこを、なんとか、曲げて、生は、実に斉彬公の直接の薫陶

ざいます。

頼む」、

によって定まったのでございまと金策に駆けずり回るありさま

す。

さきがけ

斯く申す私神田紅、見てきた伝熱2007 年 1 月-2-

J. HTSJ, Vol. 46, No. 194

新春特別講談

さて、英明並びなき名君斉彬
公も突然変異でお生まれになったのではございません。薩摩に

その後なんと五百万両にまで膨

重豪公の凄いところはこれだ
けではございません。制度を整れ上がりました。
ずしょ

そ こ で 重 豪 公 、 切 れ 者調所
ひろさと

え藩士に学問を勧めるだけでな

広郷を起用して、構造改革なく

くおん自ら語学、博物学の研究して経済成長無し、とばかりにに携わり、多くの著書を刊行なん、二十五代南山公島津重豪で藩政改革に着手。殖産興業に努さっております。中でも『南山ございます。この重豪公、大藩

めるとともに半ば強引な不良債

俗語考』は、わが国初の中国語

島津のご当主となられましたの権処理を行い、藩は公の死後天の辞書で、公が四十五年の歳月

は、江戸中期は宝暦五年西暦千保六年西暦千八百三十五年、巨をかけて編纂させたもの。その七百五十五年、ご隠居なさった

額の借財の二百五十年年賦返済

第六巻は公自らご執筆なさってのは天明七年西暦千七百八十七という途方も無い策を以って財おります。

年。その直接の治世だけでも三政再建に突破口を開き、以後薩十二年に及びますが、ご隠居の摩藩は、後顧の憂い無く内外にどうです、会場の学生さんた

後も二十六代斉宣公、二十七代積極策をとることが可能となっち？テレビの水戸黄門に出てく

斉興公の御後見として政務に関たのでございます。

るお殿様のイメージとはあまり暗君無し。公を語るときに忘れてならないのが公の曾おじいさしげひで

与なさり、その実質治世は、天

重豪公はまた、学問、教育のにかけ離れているじゃあありま

保四年西暦千八百三十三年まで振興で後世に大きな足跡を残しせんか？ご自分と重豪公とどちの実に七十八年の長きに及びまました。まず安永二年、幕府のらが余計勉強していると思いました。

湯島聖堂を範として、鹿児島城

す？科学は年々進歩しますが、下に聖堂を開いて学業を勧め、人間は必ずしも進歩ばかりする

身分を問わず、学問の志ある多とは限らないんですよ。ちょっくの子弟を教育なさいました。

と意地悪でしたっけ？

また、薩摩武士は文武両道たるべしと、聖堂隣りに武芸稽古所

さて斉彬公。文化六年、江戸を設けて武術を奨励。聖堂と武は芝高輪の薩摩藩邸にて二十七

芸稽古所は天明六年、それぞれ代斉興公のご長男としてお生ま

造士館、演武館と改称され、造れになりました。ご幼名を邦丸

士館は維新後第七高等学校に受君と申し上げました。このときけ継がれ、さらに戦後、鹿児島

重豪公六十五才。文字通り目の大学に至っております。また、中に入れても痛くない曾孫のご

実は、重豪公が薩摩藩をお継医学院を設けて医学教育に努め、誕生に重豪公、飛び上がらんばぎになったときの台所は凄まじ

安永八年には現在の吉野小学校

かりに喜ばれたことは想像に難い借金地獄。その前々年の宝暦の地に薬草園を開いて数々の薬くありません。きっと、火鉢を三年、藩は幕府の外様いじめの用植物を栽培なさいました。こ

はさんでお餅を焼きながら、聡標的となり、「お手伝い」と称しれだけではございません。この明な斉彬公に多くのことどもをて薩摩から遠く離れた尾張の国

年には、明時館を設置して天文ご伝授なさったことでございまは木曽川、長良川、揖斐川三河

観測を行い、藩独自のいわゆるしょう。何しろ幼い時から、栴

川の治水工事を命ぜられ、その薩摩暦を発行。この明時館はそ

檀は双葉より芳しの譬えどおり、ときの借財が二十二万両。それの後天文館と改められ、現在の一を聞いて十を知り、十を聞いまでの分と併せて享和元年、借繁華街天文館の名の由来となりて百を知り、百を聞いて千万億

金は百二十万両に達し、これはました。

を知り、奥の隣は台所。これは島津重豪肖像（鹿児島黎明館蔵）

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新春特別講談

私の家の場合でございます。

負けず嫌いでな。オンテムバー「ひいおじいさま。オランダ語

ルでござる」を教えてください」「オウ、オンテムバールねえ」「あいわかった。この透き通った物がガラス、この器がコップ、そしてこれがビールという飲みこのオンテムバールが、おてんばの語源だそうで。
ご一同は、夜の更けるのも忘物じゃ｣

れ、オランダ語を駆使して学問「はい。わかりました」の話に打ち興じられたというこ「うん。このガラスのコップにとでございます。

ビールをつぐがよい」「はーい」

若き日の斉彬公は、このよう（トクトクトクとつぐ）な環境の中でお育ちになったの「ウイー（酔っ払って）。邦丸、でございます。実に集成館事業

次のゾンダッハには、わしはカを準備したものは、藩財政がそバスを持って、そなたはランセ

れまでに立て直されていたこと、ルを持って、遊びに行こう」

薩摩藩に上下を問わず学問武芸

ゾンダッハは日曜日休日の意を奨励する気風のあったこと、味で、これが博多のお祭り「ど中でも蘭学を中心とした西洋文

んたく」になり、カバスはカバ

明が浸透していたことなどによン、ランセルはリュックのことるもので、そのいずれもがスーでランドセルとしてお馴染の言

パー殿様島津重豪公の開明政策

葉になりました。

によるところが大きいのでござ

有名な医師シーボルトは、来反射炉、礎石と想像図（尚古集成館蔵）

ペリー来航に先立つこと二年います。

の嘉永四年、公は四十三歳にし日三年目の文政九年江戸を訪れ、芝高輪の薩摩藩邸に程近い大森

さて集成館でございます。

て家督を継ぐと、堰を切ったよの宿で重豪公に拝謁しています。

天保十三年西暦千八百四十二

うに諸事業に着手なさいました。

この時すでに八十二歳の重豪公

年、清国阿片戦争に敗るの報はその最大の目玉が集成館でござは、弱冠十八歳の初々しい斉彬

まもなく日本にもたらされ、幕います。

公をその場に同席させました。

府、諸大名に大きな衝撃を与え

公はまず反射炉の研究に着手「始メマシテ御意ヲ得マス。殿ました。斉彬公も弘化三年、『清するとともに、鹿児島城北の地、様ニハゴ機嫌ウルワシウゴザリ

国阿片戦争始末ニ関スル聞書』

島津家磯別邸の海辺に造船所をマス」という記録を残し、詳細な情勢

設置しました。反射炉は、高温「ウム、長崎からの長旅、ご苦分析をおこなっておられます。

で銑鉄を溶解して鋳型に流し込

労でござった。ごゆるりとなさ

そうして、次に何が起こるかをむ施設でございます。鶴丸城内れよ。これはひい孫の斉彬と申敏感に察知された斉彬公。薩摩の製錬所で実験が繰り返されたす。斉彬、こちらはシーボルト

一国なりとも富国強兵、殖産興

あと、反射炉は嘉永五年、磯邸さまじゃ」

業策をとり、強力な海軍を作り、の隣接の地に着工され、数々の「ハッ、雑巾をシーボルトと覚

その力を背景として諸外国と対改良ののち安政三年、遂に完成えます」

等に貿易することが、清国の轍を見ました。またこの間、銑鉄

「ハハハ、それでよい。シーボ

を踏まない唯一の道であるとおを作る日本初の熔鉱炉が築かれ

ルトどの、この斉彬はとにかく考えになったのでございます。

たほか、ガラス製造所、陶磁器

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J. HTSJ, Vol. 46, No. 194

新春特別講談

製造所、製薬所、紡績工場、大さらに公は、長く幕府の祖法集成館は、新技術を研究し、砲の砲身をくりぬく鑚開台、なとなっていた大船建造の禁を解その成果を即実践に応用する理どなどの施設が次々に設置されくよう幕府に願い出て許され、化学総合研究所と工場が直結しました。また日本で初めて銀板

日米和親条約締結の安政元年、たような施設でございました。

写真の撮影に成功し、おん自ら

早くも日本初の洋式軍艦昇平丸

従業員の総数、実に千二百名に被写体となっておられます。

を建造し、幕府に献上しておら達したと言われております。まれます。昇平丸は、集成館で製さに我が国初の総合コンビナー造された大砲十門、臼砲二門ほトでございます。これらの新しかを備えておりました。

い技術導入は、ほとんど薩摩藩の自前で行われ、洋書を入手してこれを翻訳し、技術者と職人の集団が研究と実験を繰り返し、幾多の失敗を重ねながらも次々に成果をあげていったのでございます。当時の薩摩人のポテン
シャルの高さは驚嘆に値します。
学生さんたち、負けちゃあいら

島津斉彬銀板写真

昇平丸（松平文庫蔵：福井県立図書館保管）（尚古集成館蔵）

筆者註：造られたのは磯の造船所でなく、桜島瀬戸村の造船所である。

れませんよ。

薩州鹿児島見取絵図（集成館古図（部分）、佐賀県武雄市歴史資料館蔵）
筆者註：夙に日本全体を視野に入れていた斉彬は、開発した技術を薩摩藩で独占せず広く諸藩に公開した。この絵図は、安政四年七月に見学に来た佐賀藩の調査団が写生したもの。左上から急勾配で下っているのが水車用導水路で、その入る先が鑚開台を格納する機械工場である。機械工場の下が硝子工場。さらに、機械工場の右に外階段の見えるのが高炉（溶鉱炉）で、図中央の櫓が反射炉である。水路は緩勾配のものがもう一系統あり、各工場の冷却水、洗浄水、一般生活水などに用いられた。絵図の実物は、多くの部分
図を貼り合わせて横長に繋いであり、この図の右には、高炉や反射炉で用いた耐火煉瓦を焼いたと見られる登り窯が描かれている。

伝熱2007 年 1 月-5-

J. HTSJ, Vol. 46, No. 194

新春特別講談

では、集成館で用いられまし

がら資料が残っておらずよく分

あれ？

我が国初の発電はどた数々の機械類の動力には何がかっておりません。しかし、維うなったの？

用いられたのでございましょう

新以前の薩摩藩で、確かに歯車か。斉彬公、初めは蒸気動力のが作られ、今で言う旋盤やボー

そうそう、忘れてはいけませ

導入を考えて開発に着手しましル盤が動いていたことは凄いこんね。これにありまするは、現たが、技術の未成熟からこれはとといってよいでしょう。

在磯邸に残る石造りタンクなる構造物でございます。これは明断念いたしました。そこで考えましたのが水車でございます。

さて、斉彬公の死はあまりに

治二十五年、島津忠義公が集成

稲荷川の上流から水路がひかれ、も突然やってまいりました。安

館事業を一部引継いで建設した集成館裏山から各工場の水車に

政五年夏、天保山での軍事演習

就成所の水力発電のための施設

導水されました。磯の地が選ばを自ら指揮されたあと俄かに病として造られました。

れたのは水の落差を利用しやすを得、僅か八日の後に慌しくこ

いその地形にあったものと思わの世を去っておしまいになりまれます。

した。享年五十歳。その報に接した西郷さんは人目も憚らず男
泣きに泣き、殿のあとを追って自害すると言って周りに止められ、ついに、「亡き殿の御遺志ば継ぐ！」と堅く誓ったと伝えられており
三連水車

ます。

（灌漑用、福岡県朝倉市）

そして、集成館。
水車は日本にも古くからござ

亡き斉彬公が心血を注いで創いまして、粉引き、米搗き、田建された集成館は、無残にも文畑の灌漑などに広く用いられて

久三年の薩英戦争で悉く灰燼におりました。いまご覧頂いてい帰してしまいました。皮肉にも、るのは、私のふるさと福岡市の斉彬公が危惧した西欧列強との南郊朝倉というところにござい

武力衝突が当の薩摩で現実となます名高い三連水車でございまり、斉彬公の夢ははかなく潰えす。しかし、それまでの粉引き

去ったかに思われました。然し

水車は、木製の軸に取り付けらながら、跡を襲った二十九代忠石造りタンクれた鍵状の突起で杵を上げては義公、よく斉彬公の遺志を受け（大水桶、松尾千歳氏撮影）

落とす簡単なもので、到底大砲

継ぎ、直ちに再建に着手。維新の砲身の中繰りに用いる強い力

前夜の慶應元年、再び蘇ったのを得ることはできません。それでございます。ただいま残る石を可能にしたのは歯車でござい造りの集成館はこのとき再建さました。工学部の機械工学科でれたものでございます。

で使われた歯車をだれがどのよ

薩摩集成館の物語、これにて読みきり読みきり。

2007 年 1 月

忠義公のご長男、島津家第三育った子供の頃の回想録を南日
本新聞に連載なさいました。その中に次の記事がございます。

うに設計製作したかは、残念な伝熱

昭和三十年。

十代島津忠重さんは、磯別邸では今でも歯車の設計は大切なテーマと伺っております。集成館

そこで、時代は一気に飛んで-6-

J. HTSJ, Vol. 46, No. 194

新春特別講談｢磯邸の東の地は今は電柱会

事業のうちから父が就成所に移（１）明治二十五年、集成館事社になっているが、嘗て、明治

した仕事は、第一に発電、第二業を引き継いで就成所が建設さ三十年頃まで活動していた就成に鉱山に使用する器具の製造なれた。そのときに石造りタンク所があったとき、ここで自家用

らびにその修繕、次に小銃、刀も水力発電用として建設された。

発電をやっていて、始めは蒸気剣などの製作、陶器（お庭焼）（２）最初は蒸気を動力としてを動力としていたがのちに水力製作、その他小器具（金属製、いた。

に改められたことがあった。今木製）製作などであった。その（３）就成所以前にも集成館でから考えるとこれは一種の水力規模においてはとても集成館のは発電を行っていた。さらに集タービンであった。古くからそれに及ばなかったが、明治の成館の発電のほうが高電圧であ花倉道の山よりのやや高いとこ

半ばにこのような設備を個人でった。

ろに石造りの大水桶があって、始めた人はあまり多くは無かっ

それから来る相当な圧力を持ったろう。発電に関しては前にも我が国最古の水力発電所とした水力で、小型で粗末ではあっ触れたが、磯邸の照明は、最初ては様々な説がございますが、たが、だいたい鋳物の水車を高集成館からの送電で邸内全部に最も確実なものは明治二十五年

速度で回転させて発電させるの点灯していて非常に明るかった

完成の京都市蹴上発電所でござで、これは相当進んだ設備であが、明治二十五年、就成所からいます。これは、いわゆる営業

ったと思う｣の送電に改められた際、急に暗用発電として一般公衆に電気をくなったことをかすかに記憶し販売した最初のものでございま

さらに、略図を載せてこのよている。当時女中達が『暗い、すとともに、京都に走った日本

うなことも記しておられます。

暗い』と毎夜のようにいってい最初の路面電車の電源に使われたのをよく記憶している」

ました。それより古い事業用発

け く ら みち電としては明治二十三年、足尾「明治二十五年いよいよ集成館の事業が廃止されるに先立ち、集成館の発電は、実はこの忠銅山の坑内機械の動力のために

父忠義はこのような面でも斉彬

重さんの回想と石造りタンクの水力発電所が設けられておりまの遺志を継ぎ、なにか一面科学

遺構のほかには記録が一切残っした。

的な、しかも他面生産的な仕事ていないのでございますが、略

この古い写真は、明治二十四をしようとして、さてこそ新た図が添えられていることや年代、年、後に皇帝ニコライ二世となに就成所の設置を思い立ったも事業内容などの技術的な項目にるロシア皇太子が鹿児島を訪れのと思う。磯邸の東に隣接して、ついても詳しく記されているこた際に磯邸で撮影されたもので、

現在電柱会社の工場がある。あとから、その記述は相当信頼がこの写真の右上に庭園灯が写っの用地がほとんど全部そのままできると考えられます。

ているのがご覧いただけますね。

往年の就成所のあった跡である。

この記述から水力発電に関しそのような趣旨で、集成館のては以下のことがわかります。

ロシア皇太子記念アルバムと磯邸の写真（尚古集成館蔵）
筆者註：左は、集成館に残されるロシア皇太子の来日記念アルバムで『思いでのアゾヴァ（皇太子の乗った軍艦の名）』とある。
右はその中に収められた磯邸の写真。皇太子の鹿児島・磯訪問は明治二十四年五月六日で、その日に撮影されたことは間違いない。
日本を震撼させた大津事件の五日前のことである。

伝熱2007 年 1 月-7-

J. HTSJ, Vol. 46, No. 194

新春特別講談

つまり、集成館と就成所の発筆者註

電が、京都の発電所の電気より

本稿では、尚古集成館 副館長も早い。ということは集成館の松尾千歳氏のご教示を得て、元発電が、我が国最初の発電だっの台本にあった講談特有の「見たわけです。

てきたような嘘」の数々を修正

集成館はまさに時代に先駆けし、写真蒐集についてもご協力

た夢の工場。独学で道を切り開頂いた。薩州鹿児島見取絵図のいた人々の英知の産物でござい

掲載は、武雄市歴史資料館学芸ました。集成館を支えた薩摩の員 川副義敦氏のご協力による。

人々は、夢の実現に燃え、それ記して謝意を表す。また、台本

ぞれの人生をかけたのではない

中、重豪、斉彬、シーボルトのでしょうか。電気だって自分で会話部分は、神田紅師匠ご自身

作れるんですね。

の創作による。

神田紅 師匠

さて、お時間も迫ってまいりました。電気発祥の地、薩摩集関連 URL成館の一席、これにて読み切り[1] 尚古集成館 HPと致します。

http://www.shuseikan.jp/（完）[2] 神田紅 HP
http://www.asahi-net.or.jp/~kg3
a-unzw/index.htm
現在の集成館伝熱2007 年 1 月-8-

J. HTSJ, Vol. 46, No. 194

追悼：内田秀雄先生

内田秀雄先生を偲んで
In Memory of the Late Professor Hideo Uchida齋藤 孝基，飛原 英治（東京大学）
Takamoto SAITO, Eiji HIHARA (The University of Tokyo)
東京大学名誉教授，原子力安全委員会元委員長
で本会会長を務められた内田秀雄先生には病気ご療養のところ，去る平成 18 年 8 月 11 日にご逝去されました．享年 87 歳でした．
先生は昭和 17 年東京帝国大学第一工学部機械工学科を卒業され，東京帝国大学講師，海軍技術科士官，東京帝国大学工学部助教授を経て，昭和32 年に工学博士の学位を授与され，東京大学工学部機械工学科教授に任ぜられました．その後，昭和 54 年東京大学を停年により退官されるまで，空
気調和，熱工学，原子力安全の分野において，数多くの独創的な研究業績を挙げられました．
日本伝熱学会では，法人化前の日本伝熱研究会において第 3，4 期（昭和 39，40 年度）副会長，
第 12 期（昭和 48 年度）会長を務められ，会の発展に尽していただきました．
先生は研究において，室内環境を制御する工学としての空気調和を取り上げられ，空気調和に関する啓蒙的な書物を執筆されるとともに，湿り空気線図を作成されました．先生の研究室で作成された湿り空気線図は近年まで広く使われ続けてきました．また，先生はわが国の原子力利用の黎明期において，原子力発電施設の空気調和について専門家の立場から関与されたのがきっかけとなって，原子炉の安全評価の研究に携わってこられました．中でも冷却材喪失事故時の非常用炉心冷却装置など，原子力の安全利用に関連して，非定常
熱流動の重要性を認識され，精力的に研究を進め，数多くの画期的な成果を上げられました．
先生は科学技術庁や通産省などの委員会を通じて原子力発電の振興と安全の確保に尽力され，国の原子力安全行政の着実な推進に多大な貢献をされました．特に軽水炉の運転開始後しばらくの間
いろいろな問題が生じ，先生はその解決に尽されましたが，私共に基礎となる研究と技術の重要さを説かれ，大学教官や研究者は十分な実力をつけ伝熱2007 年 1 月て国の委員会などに対応すべきだと言っておられました．
『ねじは緩むもの』という当たり前のことをわかっていない技術者が増えているとため息交じりで語られたことが印象に残っています．
先生は原子力安全委員会の発足と共に委員になられました．大学を退官される時に米国スリーマ
イル島（TMI）原子力発電所事故が発生し，退官
どころではなかったと伺っています．その後，原子力安全委員会の委員長という重責を担われ，ソ連チェルノブイリ原子力発電所事故後のわが国の原子力発電所の安全確保の進め方について指導的役割を果たされました．
先生は，これらの業績，功績によって，日本原子力学会技術賞，日本冷凍空調学会学術賞など，数々の賞を受賞されたほか，昭和 52 年には厚生大臣表彰，平成 5 年には勲 2 等旭日重光章を受けられました．
わが国の科学技術，中でも環境エネルギー問題
への原子力の寄与が益々重要になって来ている今
日，大所高所から進むべき道を指し示される先生を失うことは，わが国にとって大きな損失であり，
誠に痛惜の念に耐えません．どうぞ安らかにお眠りください．

-9-

J. HTSJ, Vol. 46, No. 194

Journal of Thermal Science and Technology 編修委員会よりJournal of Thermal Science and Technology (JTST) への論文投稿お願い
Invitation of Submission for Journal of Thermal Science and Technology

高田 保之（Editor-in-Chief）
Yasuyuki TAKATA (Editor-in-Chief)e-mail: takata@mech.kyushu-u.ac.jp
日本伝熱学会は，2006 年 6 月に日本機械学会熱工学部門と合同編修で，電子英文ジャーナル
Journal of Thermal Science and Technology (以下JTST と略す)の発行を開始いたしました．
これまで，日本伝熱学会発行の Thermal Scienceand Engineering (TSE)では英文の論文を主体に「伝熱」とは別冊で年に 6 冊発行しておりましたが，論文掲載数，サーキュレーション，インパクトフ
ァクター，発行経費などの点で解決し難い問題を
抱 え て お り ま し た ． 日 本 機 械 学 会 の JSMEInternational Journal においても同様の悩みを抱えていたため，当時の TSE チーフエディターの西尾茂文先生を中心に種々の検討がなされました．その結果，日本伝熱学会と日本機械学会熱工学部門
が合同で編修・発行し，オンライン英文ジャーナルを発行しようという結論に至りました．西尾先生が伝熱 2005 年 9 月号にその結論に至るまでの経緯を，また現 TSE チーフエディターの河村洋先生
が 2005 年 11 月号に合本 TSE の発刊について書いておられます．
他学協会との合同出版のメリットは，論文の奪い合いがなくなり，質量ともに充実した論文誌に成長することが期待できるということです．サーキュレーションやインパクトファクターが向上す
れば，投稿論文数も自然に増え，厳正・迅速な査読システムにより掲載論文の質も向上し，国際的に名の通った英文ジャーナルへ発展していくことが期待されます．
JTST は J-STAGE で誰でも自由に閲覧することができます．オンライン投稿・校閲・出版システ
ムの導入により，論文投稿から掲載までの処理を迅速に行うことが可能です．校閲が完了した論文
は，論文単位で順次 J-STAGE にアップロードしております．これにより速報性も大いに向上しました．2006 年 12 月現在で，Vol.1, No.1, No.2 に合計13 編の論文が掲載されておりますが，最短のもの

伝熱2007 年 1 月

では投稿からわずか 50 日で掲載されております．
掲載料については，第 1 著者が本会会員の場合は，1～12 ページが 20,000 円，12 ページ以上は 1
ページあたり 10,000 円加算というように低額に設定してあります．
日本機械学会と合同で組織した編修委員会の構成は以下の通りです．7 名の編修委員のうち，5
名は日本機械学会熱工学部門推薦，2 名が日本伝熱学会の推薦です．
Editor-in-Chief 高田 保之（九州大学）
Editors 小原 拓*（東北大学），門脇 敏（長岡技術科学大学），小林 秀昭（東北大学），佐藤 勲*（東京工業大学），山田 幸生（電気通信大学），
吉田 英生（京都大学）（五十音順）*日本伝熱学会推薦の編修委員
また，JTST を閲覧できる J-STAGE のホームペー
ジおよびテンプレートや投稿規程が掲載されているホームページは以下の通りです．
J-STAGE のホームページ（閲覧用）
http://www.jstage.jst.go.jp/browse/jtst/-char/ja/
JTST のホームページ（テンプレート等を掲載）
http://www.i-product.biz/jsme/index.html
JTST はまだ刊行を開始したばかりであり，国際的な電子ジャーナルに育てるためには，何よりも質の高い，読者の興味を引き付ける論文を数多く掲載していくことが肝要であると考えております．
伝熱学会派遣のエディターによる審査を経ることにはなりますが，TSE からの再録も可能となっております．会員諸氏の積極的な投稿をお願いする次第です．まずは，J-STAGE のホームページで掲載されている論文をご覧いただきたく存じます．
どうぞよろしくお願い申し上げます．

- 10 -J. HTSJ, Vol. 46, No. 194

特集：固液界面の濡れ性の機構と制御「固液界面の濡れ性の機構と制御」特集にあたってSpecial Issue on Mechanism and Control of Surface Wettability
in Solid-Liquid Interface
近久 武美（北海道大学）
Takemi CHIKAHISA (Hokkaido University)e-mail: takemi@eng.hokudai.ac.jp
蓮の葉の上に落ちた水滴は水銀球のようにころ
ころと転がるのに対して，自動車の窓ガラスに落ちた雨滴はガラスにくっつき，液滴となって流れた後にもナメクジの這った後のように液膜を残す．
こうした固体表面に液体が付着する性質は「濡れ性」と呼ばれており，特に伝熱の分野では凝縮や沸騰伝熱特性の改善等においてこの固液の接触状
態は極めて重要であり，多くの研究がなされてきた．また，従来の化学的または物理的な表面処理による濡れ性の制御に加えて，最近では半導体プ
ロセスの微細加工技術を応用した制御も新たに登場している．こうした技術により，各種熱交換器
性能が格段に向上している他，建材表面の汚れ付着防止などへ応用がなされている．
このように濡れ性に関して多くの研究が蓄積されており，また冒頭の例のように私どもが日常よく目にしている現象であるが，特別の注意を払う
ことなく生活している人は多い．筆者もその一人であり，正直なところこれまで特に濡れ性に関心を持っていなかった．ところが，PEM 形燃料電池
内の水分管理問題を対象として研究をはじめたと
ころ，炭素繊維で構成されている拡散層（GDL）
内の凝縮水挙動問題に当然ながら遭遇することとなった．拡散層は多くの場合，疎水性処理がなされているが，親水性の方が良好な性能を示すという報告もあったりして，この度合いの制御は極めて重要である．また，拡散層は多孔質構造である
ためにガス流路に比べて気体が流動しにくいと想像していたが，凝縮水の量によってはむしろ疎水性の高い拡散層内の方が水が少なく，流路よりも拡散層内を気体が流動していると思われる現象が見出されたりしている．
こうした私個人の最近の興味から編集委員会において本特集号の提案を行ったところ，今回寄稿頂いた７名の方に執筆をお願いすることとなった．
まず，濡れ機構に関する基礎的な解説として，

伝熱2007 年 1 月

九州工業大学の長山先生および鶴田先生に，接触角に対する従来の巨視的記述の他，近年進められている分子動力学法による研究を紹介頂いた．また併せて，固液界面の濡れ性がマイクロ・ナノス
ケールの熱・物質輸送に及ぼす影響についても解析例を紹介頂いた．つづいて， 大阪市立大学の加藤先生に，接触履歴の重要性ならびに前進接触角と後退接触角に関する基礎的な理論について解説頂いた．また接触角よりも計測の容易な転落角について研究結果を紹介頂き，様々な表面の性状評
価法として期待できることを解説頂いた．
次に，濡れ性を制御する手法および応用技術として，まず東京海洋大学の賞雅先生に放射線照射による濡れ性の制御手法について解説頂いた．この技術は濡れ性の制御のみならず，金属材料の防食にも利用されている．九州大学の高田先生は超
親水面や超撥水面における液膜や液滴の蒸発・沸騰に関する一連の研究を行っており，今回，プラズマ照射による濡れ性制御手法について解説を頂いた．また，北海道大学の辻井先生には微細なフラクタル表面形状によって超撥水性の実現が可能であることを解説頂き，その応用によって汚れの付かない屋根や壁，あるいは自動車や航空機の実現が可能であることを説明頂いた．最後に，首都大学東京の諸貫先生に半導体プロセスを応用した微細加工技術による濡れ性の制御について解説頂
いた．現在行われている転写の原理に基づくトッ
プダウン的なプロセスから，将来は自己組織的ボ
トムアッププロセスによる安価で大規模な表面処
理技術の可能性についても言及頂いた．
以上，濡れ性に関する理論と応用技術を本特集にまとめましたので，読者の関心を引くことができれば幸いです．最後になりましたが，年末のご多忙の中にもかかわらず，快くご執筆いただきました皆様に心よりお礼申し上げます．

- 11 -J. HTSJ, Vol. 46, No. 194

特集：固液界面の濡れ性の機構と制御

分子動力学的視点からみた固液界面の濡れ機構
Wetting Behavior of the Solid-Liquid Interface Based on Molecular Dynamics Studies

長山 暁子，鶴田 隆治（九州工業大学）
Gyoko NAGAYAMA, Takaharu TSURUTA (Kyushu Institute of Technology)
e-mail: nagayama@mech.kyutech.ac.jp
1. はじめに
固液界面における濡れ問題は，固体・液体・気体の三相複合現象であり，固体表面に液体が付着する性質，いわゆる固液界面の濡れ性は，接触角という巨視的なパラメータで表される．その値は，液体と固体の組み合わせによって変化し，また，同じ組み合わせでも表面の状態に大きく依存する．
これは液体が固体に接触すると，界面条件に応じてエネルギー的に一番安定な状態になるように接触角が変化するからである[1-5]．これをミクロな視点からみれば，液体分子の配置が固体分子と液体分子の相互作用によって変化する空間のエネル
ギー分布に関連して決まるものと考える[6-8]．
界面を化学的または物理的に処理することによって接触角，すなわち，固液界面の濡れ性を制御する手法が多く報告されている．そのうち，藤島らが発見した酸化チタンコーティングによる超親水化現象[9, 10]や，辻井らが開発したフラクタル
構造表面の撥水効果がよく知られている[11-13]．
また，近年では，MEMS（Micro Electro Mechanical
Systems）技術や微細加工技術の普及によって，固体表面に微細な凹凸構造を形成し，その空間スケールをミクロまたはナノオーダーで制御することにより，表面の濡れ性を変化させる技術が注目されている．たとえば，諸貫らはシリコン基板表面上に種々の規則的なテクスチャ構造を形成し，接触角のヒステリシスに及ぼす影響を示した[14]．
高橋はシリコン表面に作成したランダムなポーラ
ス構造による疎水性の強化を確認した[15]．また，
細野らはガラス基板上に作製したナノピンを用いた超撥水性面を形成することによって，178°の接触角を得ている[16]．
固液界面の濡れ性制御技術の新しい進展とともに，応用技術への期待と関心が高まっている．沸騰伝熱においては，高田らは超親水面や超撥水面における液膜や液滴の蒸発・沸騰に関する一連の伝熱2007 年 1 月- 12 -

実験研究を行い，興味深い知見を得ている[17, 18]．
同じく，永井[19]や光武・門出[20]などの研究もある．一方，対流伝熱に関し，ナノ多孔質層による伝熱促進効果が功刀らにより報告されている[21，22]．筆者らはナノ微細構造によって界面の濡れ性が変化することに注目し，伝熱促進効果とナノス
ケールの濡れ現象との関連について調べている．
本稿では，固液界面の濡れ機構について，接触角に対する従来の巨視的記述を概説し，近年進めている分子動力学法（Molecular dynamics: MD）による研究を紹介する．また，固液界面の濡れ性がマイクロ・ナノスケール熱・物質輸送に及ぼす影響についてもいくつかの解析例を紹介したい．
2. 平滑面の接触角に関する記述法
2.1 Young の式
図 1 に示す平坦な固体面の濡れ性については，
液滴の接触角を用いたマクロな評価方法として，
1805 年に発表された Young の式が知られている[23]．

γ sl − γ sv + γ lv cos θ y = 0(1)

ここで，γ sv ，γ sl ，γ lv は，それぞれ固気，固液，気液の間の表面張力あるいは界面エネルギーを表し，接触角は固・気・液の界面エネルギーのつりあいで表現される．「ぬれと表面張力」については，
本誌 2004 年１月号「伝熱学・熱流体力学における

γ lv

vapor
liquid

θy

γ sv

solid

γ sl

Fig. 1Young’s equation of contact angle.

J. HTSJ, Vol. 46, No. 194

特集：固液界面の濡れ性の機構と制御『のどの小骨』を流し込む」特集に高田が明快に解説している[4]．

ここで，φ sl は固液分子間ポテンシャル，rij は分子
i と j 間の距離，LJ ポテンシャルパラメータの σ slと ε sl は ， 液 体 と 固 体 分 子 の そ れ ぞ れ の 値 を

2.2 分子動力学による接触角の表現法
分子動力学的視点からの濡れ性についての検討
は，濡れ現象のメカニズムに対する本質的な理解を与えることができると考える．
まず，先駆的な分子動力学解析を行った丸山らの研究を紹介したい[6-8]．図 1 に示す固体面に液滴が付着した場合を分子動力学シミュレーションの計算系と考える．最も単純なレナード・ジョーンズ（Lennard- Jones：LJ）ポテンシャルを用いた場合，固体面における液滴の接触角はポテンシャ
ル関数のパラメータで表現することができる．用
いた固液間ポテンシャル関数に依存するが，接触
角は 1 つの液体分子が固体面から受ける積分表面
ポテンシャルの深さに比例することを明示した．
また，より現実的な場合として，プラチナ固体表面上の水の液滴の分子動力学シミュレーションを行っている．水分子間に SPC/E（Extended Simple
Point Charge）ポテンシャル，水分子とプラチナ原子の間には Zhu-Philpott らが作成したポテンシャ
ルを用いた．プラチナ表面に一層の水分子が吸着されて液膜となり，その液膜の上に水の液滴が接触していることを示した．このように吸着層の上に形成された液滴の接触角については，ミクロス
ケールにおける理論構築が今後必要であろう．
筆者らは，次式に示す擬レナード・ジョーンズ
ポテンシャル関数で固液間の相互作用を表現した[24, 25]．
⎡⎛

φ sl (rij ) = 4αε sl ⎢⎜σ sl ⎞⎟⎢⎜⎝ rij ⎟⎠⎣12

6⎛σ ⎞ ⎤− β ⎜ sl ⎟ ⎥⎜ rij ⎟ ⎥⎝⎠ ⎦Lorentz-Berthelot 則に基づき， σ sl = (σ l + σ s ) / 2(the Lorentz rule)，ε sl =で与えた．なお，ポテンシャル井戸の深さをBerthelot 則で表す際，過大に評価されることが知られているため[26, 27]，係数 α を用いて調整する．

α = 0.14 (= ε l ε s ) にすると，固液分子間ポテン
シャル井戸の深さは液・液分子と同様になる．また，係数 β を用いて固液分子間ポテンシャルの斥
力項を調整するのも非常に有効な方法である[28-30]．そこで，式(2)に係数 α と β の両方を用いることにした．液体に Ar 分子，固体に Pt 原子を用いた場合，図 2 に示すように，超親水面から超撥水面まで，異なる固液界面エネルギーを実現できる．αとβを小さく設定することは，固液間の相互作用が弱まる方向に向かうことになる．液滴が完全に固体面に濡れて液膜となるのは，(a)から(c)の場合であり，中でも，(a)が最も強い固液相互作用を持ち，超親水面とみなすことができる．(d)の場合は，固液界面に液滴が形成され，部分濡れとなったが，接触角が 90°より小さく，従来の定義に従えば親水面となる．なお，(e)は撥水面，(f)は濡れない表面を現している．
3.表面構造を持つ固液界面の接触角
3.1 Wenzel の式
Young の式は理想的な平滑面における接触角の表現法であり，実際の表面は粗さを持つため，固液界面の接触角を評価・制御するには，表面構造
による形状変化の影響を考慮する必要がある．

(2)θ(a) α =1, β =1
Fig. 2

伝熱2007 年 1 月(b) α =0.5, β =1ε l ε s （the Berthelot rule）

θ(c) α =0.14, β =1 (d) α =0.14, β =0.5 (e) α =0.14, β =0.3 (f) α =0.14, β =0.1

Solid-liquid interface wettability and potential parameters α and β of Eq. (2).

- 13 -J. HTSJ, Vol. 46, No. 194

特集：固液界面の濡れ性の機構と制御

r' =s + 2h
s

Φ=b s

s

s
b

h
Fig. 3

Wenzel’s equation of contact angle.

Fig. 4図 3 に示すのは，1936 年に Wenzel が提案したモデルである．表面に物理的な凹凸が存在している場合を対象とする．ここでは，液体が表面凹凸の隙間を完全に濡らすと考え，接触角は表面構造のパラメータ r ′ を用いて Young の接触角を修正する形となる．

cos θ w = r ′ cos θ y
ここで， r ' =(3)

s + 2hは構造表面と平滑面の表面積sの比率を表し，固液界面の増大割合を示す．s は表面構造のピッチで，h はその高さである． r ' が最小値 1 になる場合は，Young の式に帰着する．r 'が 1 より大きい場合は，接触角が 90°以下である
親水面では，親水性がもとより増す傾向になり，90°以上の疎水面では疎水性をさらに強化することになる．すなわち，Wenzel モデルによれば，表面構造による表面積の増加率を増やせば，もともとの親水性あるいは疎水性を強化することになる．
3.2 Cassie-Baxter の式
Wenzel の式に対して，化学的に不均一な表面構造を対象としたモデルに，1944 年に発表された
Cassie-Baxter モデルがある．Cassie-Baxter モデル
は，もともと異なる材質が混在する凹凸のない平坦な複合表面を対象とするが，撥水性を高める条
件の一つとして，表面構造の空隙に空気をトラッ
プし，空気と固体の複合表面を対象とする場合を想定して，次式がしばしば用いられる．

cos θ c = Φ cos θ y + (1 − Φ ) cos 180 o(4)

図 4 に示すように，Cassie-Baxter の式は表面構
造の隙間の割合を Φ = b s で表し，液体は隙間に濡れない状況にある．式(4)に基づいて，微細構造の先端をできるだけ小さくして（ Φ を減少させることによって右辺第一項の影響を小さくする）作成

伝熱2007 年 1 月- 14 -

Cassie-Baxter’s equation of contact angle.

したポーラスシリコン[15]やナノピン[16]のような超撥水面が開発されている．
ここで，Cassie-Baxter の式では構造の高さ h の影響を考慮していないことと，Wenzel の式は表面構造の凸部の幅 b の影響を考慮していないことに注意したい．また，式(3)の r ' と式(4)の Φ は表面構造の寸法の比であり，b, s と h はマクロスケール
であろうが，ナノスケールであろうが，接触角度が変化しないこととなる．さらには，実際の表面には，液体が表面構造の空隙に完全に濡れる状況（図 3）と濡れない状況（図 4）との中間にあることも考えられる．
3.3 分子動力学法によるナノ構造面 [33]ナノ微細構造の寸法と固液界面の濡れ性の関連を明らかにするため，筆者らは，凸幅・ピッチ・
高さをパラメータとしたナノ微細構造面における液滴を対象とした MD シミュレーションを行った．
計算条件として，凸幅はおおよそ 0.6～2.8nm，ピッチは 1.1～5.8nm，高さは 0.5 と 0.9nm を設定した．なお，解析方法は 2.2 節で述べた筆者らの方法とほぼ同様であるため，ここでは省略する．
平面では完全に濡れる条件（図 2(c)）に対して，界面をナノ構造化した場合のスナップショットを
図 5 に示す．ナノ微細構造を持つ固体壁面のいずれも平滑面の場合とほぼ同じく，液体分子が完全に固体面を濡らす結果となった．ナノ構造物間の凹幅は異なっているにもかかわらず，液体分子が隙間なく浸透している．これらの場合は，接触角がすべて 0 となり，ナノ微細構造による接触角の変化が顕著に現れないものと考える．この特徴はWenzel および Cassie-Baxter の式では表現できない．
部分濡れ面（図 2(d)）をナノ構造化した場合のスナップショットを図 6 に示す．平面の液滴の接触角は 60°前後であるが，ナノ微細構造面の接触角がいずれも平滑面より大きくなり，固液界面が疎水化される結果となった．特に，凹幅 s-b や凸J. HTSJ, Vol. 46, No. 194

特集：固液界面の濡れ性の機構と制御

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)

(g)

(h)

(i)

(j)

(k)

(l)

(m)

(n)

(o)

(p)

(q)

(r)

Snapshots of the structured surface with α=0.14, β=1 (hydrophilicity).

Fig. 5

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)

(g)

(h)

(i)

(j)

(k)

(l)

(m)

(n)

(o)

(p)

(q)

(r)

Snapshots of the structured surface with α=0.14, β=0.5 (hydrophobicity).

Fig. 6幅 b が液体分子直径と同じ程度になると，接触角が最も大きくなりやすい状況になることが分かった．ここで，前述の Wenzel の式によれば，ナノ構
造化することによって，接触角がさらに小さくなることから，Wenzel の式との不一致は明白である．
また，構造物の隙間にある液体の存在を含め，
Cassie- Baxter の式との不一致が図 7 より確認できる．すなわち，構造物の凸部がピッチの半分以下を占める（ Φ ＜0.5）場合，Cassie-Baxter モデル
1.0

●

cosθ

0.5

Φs =

(a), (b)Fig. 7

0

0.2

(5-b)

接触角に関する次の修正式を得る．

Cassie-Baxter's eq.

cosθ r = Φ s cosθ y + Φ v cos180o

0.4

0.6

Φ = b/s

0.8

1

(6)

式(6)は，図 7 のように，MD 結果とよく一致しているが，凹部内の分子充填率 f に基づいた半経
験的な表現であり，より一般的な表現法の構築が今後の課題である．

Comparisons between MD results
and the Cassie-Baxter’s equation.

2007 年 1 月

(5-a)

(q)
(r)

-0.5

伝熱

b + ( s − b + 2h) fs( s − b + 2h)(1 − f )Φv =s

MD results (β=0.5)
Eqs. (5) and (6)

0.0

-1.0

と MD 結果とが一致せず，MD 結果は Φ ＝0.5 に対して左右対称になる．なお，Φ が 0 および 1 の場合は表面構造がなく，MD 結果が平面と同じ接触角になることが確認できる．
以下に，MD の解析結果を用いて新たな接触角の表現法への試みを紹介する．凹部内の液体分子の充填率 f を用いて凹部における液体分子の濡れ度合いを表す．凸部と凹部を合わせた液体分子が固体に接触した面の割合がΦs で，液体が固体に接触しない面の割合がΦv とすると，- 15 -J. HTSJ, Vol. 46, No. 194

特集：固液界面の濡れ性の機構と制御

6

2
1
0

0

1

Fig. 82

34z [nm]

5

6

7

4
3
2
1
0

0

1

2

3
4
z [nm]

5

6

Snapshots and density distribution of
nanochannel flow in equilibrium states.

00

7

Fig. 91234z [nm]

5

6

7

Effect of surface wettability on velocity
profiles of pressure driven flow.

4.3 固液界面における熱抵抗
図 8 の解析系の固体壁を異なる温度に制御し，高温面と低温面を設けることによって，ナノチャ
ンネルに熱流（Heat flow）が生じる解析を行った．
同じ温度差に対して，異なる界面濡れ性を持つナ
α=1, β =1
α=0.14, β=1

Temperature [K]120

4.2 固液界面における流動抵抗
図 8 の解析系のナノチャンネルの一端から駆動力を加えて流れを生じる解析を行った．なお，駆動力を加えて流れが生じても，4.1 節で述べた界面構造が維持されることを確認している．
同じ駆動条件において，異なる界面濡れ性を持2007 年 1 月

10

つナノチャンネル内流動の速度分布を図 9 に示す．
最も流速が低いのは，超親水面（図 2(a): α =1, β=1）であり，速度分布の形状は従来の放物線状となっている．流路中心部に比較的低い流速となるが，固液界面においては速度が 0 となり，すべりなし（no-slip）境界条件が成り立っている．中間にあるのは，親水性が比較的弱い完全濡れ面（図 2(c):α =0.14, β=1）である．流路中心部の流速は超親水面より大きくなっており，固液界面にすべり速度が生じていることが確認できる．また，すべり速度および中心部流速が最も大きいのは，部分濡れ
面（図 2(d): α =0.14, β=0.5）であり，その形状は平坦な速度分布となっている．図 9 より，固液界面を疎水化することによって，流動抵抗を低減できることが分かった．これは，実験結果とも定性的に一致している[45-48]．

4. 固液界面の濡れ性と界面抵抗
4.1 固液界面の濡れ性と界面構造
近年の半導体製造技術をベースにした微細加工技術の進歩は，μm または nm オーダの流体機械
や流体センサの製作を可能にし，それらの代表寸法は，固液界面の分子間相互作用の影響が現れる
極めて小さいスケールに近づいている．このような小さな系では，固液界面の濡れ性が重要な役割を果たす．これまでに，ナノ空間における流動現
象の分子動力学シミュレーション研究は数多く行
われた[34-44]が，固液界面濡れ性との関連に注目した研究は少なく，ここでは，筆者らの研究例[24，25]を中心に紹介する．
2.2 節と同様の分子間ポテンシャルモデルを用
いて，間隔約 5.5nm のナノチャンネルに飽和状態に近い L-J 流体を満たした．図 8 には，完全濡れ面（図 2(c): α =0.14, β=1）と部分濡れ面（図 2(d):α =0.14, β=0.5）の例ではあるが，解析系のスナッ
プショットとともに密度分布を示す．完全濡れ面の壁面近傍では，流体分子が規則的に並んだ solidlike な性質[34, 35]を示し，バルク域より数倍も大きい密度のピークを繰り返すような特徴が見られる．部分濡れ面の場合は，同じ界面構造が見られるが，密度のピークが比較的低くなっている．この Solid-like 液体構造は，界面親水性が強ければ強いほど顕著に現れ，固液界面層の厚みを増す効果
となる．

伝熱

α =0.14 , β =0.5
α =0.14 , β =1
α =1 , β =1

20

110
100

Heating wall3

Fx=0.39 pN

30

Cooling wall4

α =0.14β =0.5

5Velocity [m/s]α =0.14β =1

5Density [ kg/m3 ]Density [ kg/m3 ]

6

90
0

1

2

3
4
z [nm]

5

6

7

Fig. 10 Comparisons of surface wettability on
temperature profiles of heat flow forhydrophilic surfaces (surface with
TH=120K and TC=90K).

- 16 -J. HTSJ, Vol. 46, No. 194

特集：固液界面の濡れ性の機構と制御
ノチャンネル内の温度分布を図 10 に示す．超親水性面（図 2(a): α =1, β=1）と親水性が比較的弱い完
全濡れ面（図 2(c): α=0.14, β =1）との比較より，
固液界面における熱抵抗が親水性を強化すればするほど低減できることが分かる．特に，固液界面の境界条件について，超親水面では速度・温度ともに連続することとなるが，親水性が弱まる方向になると，速度・温度ともに不連続的に変化することとなる．

蒸発量も減少することになる．固体壁と吸着状態にある液膜については，蒸発に必要な活性化エネ
ルギーと液体の蒸発潜熱に加えて[50]，脱着するためのエネルギーがエネルギー障壁に加わり，気液界面の蒸発輸送量を減少させることと考えられる．その機構を明らかにして，新たな気液界面輸
送に関する理論に構築できればと考えている．
5. おわりに
固液界面の濡れ機構について，接触角の古典的理論モデル，および分子動力学シミュレーションの最近の研究を紹介した．また，固液界面の濡れ特性が界面近傍のミクロスケール輸送機構に及ぼす影響について，筆者らの初歩的な分子動力学的研究例を挙げた．今後は，濡れ制御の視点のみならず，その幅広い応用分野からも，固液界面の濡れ現象のミクロレベルの機構解明が期待され，ミクロからマクロへの橋渡しとなる理論構築が必要であると考えているところである．

4.4 固体面上における気液界面の界面抵抗
沸騰を含め，蒸発や凝縮現象においては，気液
界面での輸送機構が主たる因子となることは少な
く，液体側の熱伝導抵抗や，気体側の拡散抵抗が中心であることが多い．核沸騰の限界熱流束や遷移沸騰現象においても，界面輸送機構が影響を及ぼすことは少ないと考えられる[49]．しかし，対象がナノ・マイクロスケールへとシフトしていくと，例えば，図 11 に示す極薄液膜が対象になると，その輸送機構については気液界面の重要性は高くなると考えられる．非常に薄い液膜が固体面から受ける影響を記述するために，Hamaker 定数を導入して表される disjoining pressure が良く用いられているが，なかなか理解しにくい面がある．
図 12 に示す解析系に，4.3 節と同様な手法で壁面に温度差を与え，下部の加熱面上の液膜の蒸発挙動に注目した．固体壁を超親水性面（図 2(a):α =1, β=1）とした場合，流体分子（Ar）直径で無次元化した液膜厚みに対する蒸発の質量流束を図12 の右側に示す．3～4 分子層よりも厚い液膜であれば固体壁の影響がなく，これまでのマクロ域に対応した界面輸送量から推定できるが，これより薄い液膜になると固体壁からの影響を強く受け，Micro-region

Macro- region

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2000

TC=90K

Vapor
Liquid Film
Solid Wall
Adhesion Force
Interface Resistance

TH=100, 110, 120K

伝熱

Macroscopic sketch of liquid film onsolid surface.

2007 年 1 月

ΔT=10K
ΔT=20K
ΔT=30K

1500
1000
500
0
0

Film ResistanceFig.11Mass flux, JM [kg/(m2s)]

Absorbed Film

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Fig.12- 17 -

1

2
3
4
5
6
Film thickness, δ /σAr [-]7

Effects of solid surface on interface masstransfer of ultra thin liquid film.

J. HTSJ, Vol. 46, No. 194

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- 18 -J. HTSJ, Vol. 46, No. 194

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伝熱2007 年 1 月- 19 -J. HTSJ, Vol. 46, No. 194

特集：固液界面の濡れ性の機構と制御

接触角履歴と傾斜板上の液滴の転落について
On the Contact Angle Hysteresis and the Sliding Downof a Liquid Droplet on Inclined Surfaces

加藤 健司（大阪市立大学）
Kenji KATOH (Osaka City University)e-mail: katoh@mech.eng.osaka-cu.ac.jp
積の変化を模式的に表したものである．界面張力が単位面積当たりの自由エネルギーであることに注意すると，Δx の移動による，紙面に垂直方向
単位長さあたりの系のエネルギー変化ΔE は次式のように書ける．

１．はじめに固体と液体のぬれは，凝縮や沸騰伝熱を始め，様々な分野の問題に影響を及ぼす因子の一つである．特にマイクロスケールの流動や伝熱の問題では，表面張力や界面現象の重要度が増すため，ぬれ機構の正確な把握が望まれる．固液のぬれやす
さは，一般に固液間の接触角の値を用いて評価される．通常の固体面では，あらさや汚れなどの不均質が原因となり，液体の移動方向に依存する 2
つの接触角，すなわち前進接触角と後退接触角が現れることが知られている．ぬれ挙動が関連する現象を具体的に考察するには，こうした接触角の履歴現象を考慮に入れる必要がある．ここでは，履歴現象の機構を，ぬれ挙動に伴う不可逆的な消散に着目したモデルに基づいて説明する．また，履歴現象が影響をもつ力学現象の例として，傾斜平板上の液滴の転落を取り上げ，転落の生じるメ
カニズムについて考察を行う．

ΔE = (σ S − σ SL )Δx − σ L ⋅ Δx cos θ E= (σ S − σ SL − σ L cos θ E ) ⋅ Δx

ここで，液体表面積は Δx cosθE だけ減少することに注意されたい．系が平衡状態にあるとき，上式のΔE=0 となることから，再び式(1)を得ることができる[2]．エネルギー的な観点から Young-Dupreの方程式(1)を考えたとき，左辺は接触線が移動して，単位面積の固液界面を乾かして固気界面に置き換えた際のエネルギー変化(浸漬仕事)を表しており，その値が右辺の液体の表面張力と接触角より計算できることを示している．
Young-Dupre の式(1)が成立するのは，化学的に均一(異分子の吸着等がない)かつ分子レベルで滑らかな理想的な固体表面に限られている．我々が日常扱う固体面には，あらさや汚れなどの不均質部分が必ず存在するため，式(1)を直接用いること

２．接触角の履歴現象
2.1 Young-Dupre の方程式と見かけの平衡接触角
図 1 は，液滴の接触角を模式的に表したものである．接触角θE(0°～180°)は，固気液 3 相の接触線(図の C)上において，固体面と液体表面の間の角度として定義される．接触線 C 上には，固体，液体の表面張力 σS，σL ならびに固液の界面
張力 σSL が，それぞれの表面・界面の面積を小さくする方向に作用する．紙面に垂直方向単位長さ当たりの，固体面接線方向への力の釣り合いから，次式が導かれる．

σ S − σ SL = σ L cos θ E

σLσS2007 年 1 月

C

図1

θE σ

SL

平衡接触角と界面張力(1)

上式を Young-Dupre の方程式と呼び，式(1)を満たす θE を平衡接触角という[1]．式(1)は，エネルギ
ー平衡の立場からも導かれる．図 2 は，接触線 C
がΔx だけ可逆的に右方に移動した場合の各界面

伝熱

(2)

図2

- 20 -

接触線の移動による界面積の変化

J. HTSJ, Vol. 46, No. 194

特集：固液界面の濡れ性の機構と制御はできない．ここでは，平衡接触角 θE が位置によって変化する一般的なあらさ面を考える．接触線の移動が可逆的に起こる場合には，上と類似のエ
ネルギー平衡の観点から，次の見かけの平衡接触
角 θEa を考えることができる．
cos θ Ea =∫∫ cos θ ds = r∑ A cos θ
E

i

Ei

(3)

i

式(3)最初の等号後の積分は，あらさ面の各微小面積要素 ds について，見かけの単位面積にわたる総和を表す．r は滑らかな面に対するあらさ面の面積増加率(r>1)，Ai は，表面を覆う種々の化学種のうち，i 番目のものが占める面積割合を表している．式(1)を参照すれば，上式に液体の表面張力 σLを乗じた値が，見かけの単位面積あたりの浸漬仕事となることが理解できる．すなわち，ぬれに伴う可逆的なエネルギー変化を，式(1)の θE の代わりに θEa を用いて求めることができる．式(3)において，固体面が均質な材質(θEi が一定)で覆われている場合の見かけの接触角を Wenzel の接触角といい，r=1 の滑らかな面の場合を Cassie の接触角と呼んでいる[3]．
2.2 接触角の履歴現象
式(3)は，接触線の移動に伴う歪みや不可逆性がない場合に成り立つ関係
であり，通常は式(3)の接触角は観察されない．一般に，接触線の移動方向に依存して，図 3 のような 2 種類の接触角が現れる．図 3(a)のように，注
射針からの液の注入で液滴が膨張し，接触線が広がって周囲固体面をぬらしていく場合に観察される接触角を接触角を前進接触角θA，逆に図 3(b)のように，乾かす方向のものを後退接触角θR と呼ぶ．
syringe

この現象を，接触角の履歴現象と言う．液滴を固体面上に適当に置いたとき，接触角は上記 2 つの間の任意の角度を取ることができる．前進(後退)接触角は，接触線が移動を開始するときに現われる最大(最小)の接触角と考えることができる．
接触角の履歴現象は，固体面に付着した液滴や気泡の運動に対し，決定的な役割を及ぼす．例えば後述する傾斜平板上の液滴の転落を考えた場合，液滴が動き出す瞬間において，図 7 のように液滴の先端および後端にはそれぞれ前進接触角 θA お
よび後退接触角 θR が現われる．このとき，図中の表面張力 σL (N/m)の斜面接線方向成分が，液滴にかかる重力を支えている．容易にわかるように，履歴現象がなく θA=θR のときには，液滴は斜面にとどまることができず，微小な傾斜角度でも転落してしまう．接触角履歴の大きさが，液滴や壁面に付着した気泡の力学を支配している．こうしたぬれの力学的な現象を対象とする場合には，θA，θR
両者の値を知る必要がある．
2.3 履歴現象のメカニズム
接触角の履歴現
象は，固体面上に存在するあらさや不均質の影響によると考えられており，いくつかのモデルが提案されている．しかしながら，実験結果を完全に説明できるものはまだ完成されていない．ここでは，接触線が固体面上を移動する時に生じる不可
逆的な消散に基づいた考え方について概説する[4]～[7]．
図 4 は，平板を液中よりゆっくり引き上げたと
き，板に対し相対的に下方に移動する接触線の様子を模式的に示したものである．通常，接触線は3 次元的に歪み，全体が一様に準静的な連続運動をするのではなく，局所的に不連続なスティック
スリップ(stick-slip)運動が観察される．すなわち，あらさの山や谷といった，接触線の移動に対して

θA(a) 前進接触角

Contact
line

θR

図3

伝熱

θR

(b) 後退接触角
接触角の履歴現象

2007 年 1 月

図4- 21 -

接触線のスティックスリップ運動

J. HTSJ, Vol. 46, No. 194

特集：固液界面の濡れ性の機構と制御欠陥にピン止めされ接触線が歪むときの仕事量を算出した[4] [5]．具体的に上記 WA や WR の値を示したものとして意義深いものがあるが，欠陥がランダムかつ無数に存在する実際の表面で，こうしたエネルギーの評価を行うのは困難であり，見かけの前進・後退接触角を求めるには至っていない．
著者らは，接触線が移動するときの局所平衡条
件を考え，系の平均的なエネルギー収支について検討した[6] [7]．図 6 のように，平衡接触角 θE が位置の任意関数であるあらさ面を対象とする．座標系として， x，y および z 軸を，それぞれ平板に沿って上方向，平板に垂直方向およびスパン方向に取り，あらさ面の表面形状を h(x,z)で表す．図6 中の θ は，見かけの接触角 θR に対する局所の真の接触角である．θ と局所平衡接触角 θE(x,z)の大小関係は，あらさ面上の位置によって変化する．
このとき，あらさ面全体を次の 2 つの領域 I，II

抵抗の大きい箇所を通過するとき，局所的に接触線が一旦静止して変形した後，急激に解放されるような現象が現れる．接触線が 3 次元的に変形す
ると，液体表面積が増加するため，余分な仕事量が必要となる．そのエネルギーは，上記のように接触線の移動に伴い，不可逆的に消散される．接触線の移動には，このような不可逆性に基づいた
余分なエネルギーが必要となるため，可逆的な仕事量を基にした式(3)の接触角と異なる値が現われると考えられる．
図 4 のように平板を上向きに引き上げる場合を対象として，系のエネルギー平衡条件を考察する．
このとき，接触線は平板に対して後退方向に移動するため，見かけの巨視的な接触角として後退接
触角 θR が観測される．表面張力による下向きの力に逆らい，単位面積だけ板を引き上げるのに必要な仕事量は σLcosθR で与えられる．系に与えられたこのエネルギーが使われる内訳を考えると，次の関係を書くことができる．

σ L cos θ R = σ L∴ cos θ R =∫∫ cos θ ds + W
EContact line

R

θR

WR

∫∫ cos θ ds + σ
EL

Defect(4)
上式において，1 行目右辺第 1 項は，式(3)で述べた可逆的な浸漬仕事である．また第 2 項 WR は単位面積あたり，接触線の歪みを形成する仕事量を表す．接触線の歪みがもつ平均的なエネルギーは，接触線の移動中，変化しないと考えられる．言い換えれば，接触線の歪みは絶えず生成され，同時に同じ量だけ消滅している．したがって，上式右辺第 2 項は，単位面積あたり歪みが解放されるエ
ネルギー消散量と考えることもできる．図 4 は，
接触線が後退する場合であるが，前進時にも不可
逆的に消散される正の WA が存在する．後退・前進という接触線の移動 1 サイクルを考えたとき，どちらの移動方向でも起こる正の消散量の合計により，接触角履歴の大きさが決定される．接触角
履歴について，次の関係が成立する．
1(5)
cos θ R − cos θ A =(W A + W R )図5

接触線の移動に伴う歪みの形成と不可逆消散

θ θ
R

x
z

σL

Jansons および de Gennes らは，図 5 に示すように，固体面上にあらさや不均質部といったスポッ
ト状の欠陥領域を通過する接触線の移動を仮定し，yh ≡ h( x, z )図 6 接触線の付着状況

伝熱2007 年 1 月- 22 -J. HTSJ, Vol. 46, No. 194

特集：固液界面の濡れ性の機構と制御に分けて考える．
θ ≥θE(領域 I)

θ <θE

WR = σ L(6a)(領域 II)

(6b)

∴

∫∫

積分は，領域 II の微小面積要素 ds に対する総和を表す．上式右辺第 2 項が，可逆的な浸漬仕事を表す第 1 項からの付加量で，歪み形成に使用できる仕事量を表す．
接触線の移動に伴う上述の仕事量を考慮すると，
式(4)のエネルギー平衡条件として，次式を得ることができる．

+σ L

∫∫

E

(cos θ − cos θ E )ds − W n + Wdis

(10)

R

∫∫ ∂x dxdz = 0 を用いてい∂hる．式(10)より，式(8)は結局次式のように書くことができる．
1cos θ R dxdz =cos θ E ds +(W dis − W n ) (11)E∫∫ cos θ ds∫∫ cos θds = ∫∫ cos θ dxdz

また，式(10)において，

IIσ L cos θ R = σ L(9)

上式中， ds = 1 + (∂h / ∂x) 2 + (∂h / ∂z ) 2 dxdz である．

II

L

n

∂h ⎞
⎛
cos θds = ⎜ cos θ R − sin θ R
⎟dxdz
∂x ⎠
⎝

∫∫ cos θds =(7)
σ∫∫ cos θ ds + σ ∫∫ (cos θ − cos θ )ds
Edis

ここで，図 6 のような θ と θR の幾何学的な関係か
ら，次式を導くことができる．

σL

II

E

II

式(6)で表される領域 I および II を接触線が通過するときの仕事量，すなわち式(4)右辺の値について考察する．領域 I では，接触線は準静的に移動す
る．θ>θE の場合には，接触線は一旦平板に対して静止し，平板とともに上方に引き上げられる．そして θ=θE になった後，接触線は準静的な運動を開始する．したがって，接触線が領域 I を移動する
とき，可逆的な浸漬仕事と歪み形成の仕事を考えることができる．一方，領域 II では，接触線の後退方向に式(1)の力の平衡条件が成り立たないた
め，接触線が有限速度で移動する場合がある．領域 II の接触線は領域 I に先行して後退移動するので，あらさ面接線方向の力 σLcosθ による仕事の一部は，領域 I と II の間の接触線の歪みを形成するのに用いられる．領域 II を通過するとき，接触線がなす仕事量は，次式のように書くことができる．

L∫∫ (cosθ − cos θ )ds + W − W

(8)

II

上式右辺第 1 項は，領域 I，II 全体の浸漬仕事，第2 項は領域 II における付加的な仕事量である．実際には，付加的な仕事がすべて歪み形成に使われるわけではない．式(8)右辺の Wn は，使用されない分を表している．また，右辺第 4 項は歪み形成に伴う全仕事量のうち，領域 II の付加的な仕事量以外の分を表す．式(8)より，式(4)で示した歪み形成に使われる仕事量 WR は，次式のように表され
る．

I

∫∫

I

σL

式(11)において，(Wdis-Wn)の具体的な算出はなかなか困難な問題である．しかしながら，式(11)の検討から，実際に観察される見かけの後退接触角
θR について，いくつかの知見を得ることができる．
まず， Wdis>Wn の場合，領域 I に対する式(6a)の関係と式(10)より，左辺＜右辺となり，エネルギー平衡は成り立たない．これは，歪みを形成する式(9)の仕事量 WR は，領域 II の付加的な仕事量の最大値以上にはならないことを意味している．次に，Wdis=Wn のときを考える．これは，式(9)より，領域 II における仕事が，ちょうど歪み形成の仕事量に等しくなる場合である．このとき，式(11)が成立するためには，両辺の積分値が零，すなわち平板全体が領域 II で覆われる必要がある．平板の一部で局所平衡条件が成り立たないと，接触線の留まる位置がないことから，後退接触角として次の値が考えられる．

θ R = MIN[θ a θ = θ E ](12)

式(12)は，局所平衡条件 θ=θE を満足する見かけの接触角 θa の中で，最小のものが後退接触角として観察されることを意味している．
上と同様な議論を接触線が前進する場合に適用すると，前進接触角として次の値が考えられる．

θ A = MAX[θ a θ = θ E ](13)

局所平衡条件を満足する見かけの角度のうち，最伝熱2007 年 1 月- 23 -J. HTSJ, Vol. 46, No. 194

特集：固液界面の濡れ性の機構と制御
大値が前進接触角として観察される．式(12)と式(13)の結果は，静的なエネルギー平衡条件から導かれた理論結果ならびに実験結果と一致する [8][9]．式(12)および式(13)は，接触線が移動するとき，最大の抵抗を示す部分の平衡接触角の見かけの値
が，前進・後退接触角として観察されることを意味している．
最後に，式(11)において，Wdis<Wn の場合には，
後退接触角は式(12)の値より大きくなる．Wn が大きくなると，接触角履歴の原因となる式(9)の WR
が小さくなるため，後退接触角 θR は，見かけの平衡接触角を表す式(3)の値に近づいていく．これは，領域 II における付加的な仕事量が小さくなることに対応する．すなわち，接触線の移動における不可逆性が小さくなるため，接触角履歴も小さくなると解釈できる．
３．傾斜平板上の液滴の転落
3.1 液滴が転落する臨界条件
前章で述べた
接触角の履歴現象が大きな役割を及ぼす力学現象の例として，傾斜平板上の液滴の転落について考察する．この現象は，凝縮や塗装などの問題，また最近では，超はっ水面などの表面性状の評価への利用が試みられている[10]．しかしながら，実験結果を精度よく説明する理論モデルはこれまで構築されていない．ここでは，液滴の転落機構について考察するとともに，転落現象を利用した表面性状評価法の可能性について述べる[11] [12]．
転落が生じる臨界条件について考察する．図 7
は，傾斜平板上を転落する瞬間の液滴に対する模式図である．座標系として，x，y および z 軸を，
それぞれ平板に沿って上方向，平板に垂直方向および平板面内スパン方向に取る．φは平板の傾斜
角度，b は液滴の付着面の最大幅を表す．液滴が転落する臨界状態では，接触線上に作用する表面
張力 σL の斜面方向成分と重力の釣り合いより，次式が成り立つ．

∫− σ L cos β ⋅ cos αda = ρgV sin φC2007 年 1 月

σ L (cos θ R − cos θ A ) ⋅ b = ρgV sin φ(15)

他方，接触角は液滴両端で観測される θA や θR から，接触線周上で徐々に変化すると見なす報告もある．式 (15)は，接触角履歴 (θA-θR)が小さいか，
長く伸びた液滴形状について成り立つ近似式であると指摘されている[14] [15]．しかしながら，液体が固体面上を移動するとき，固体面をぬらす(乾かす)場合には，接触角として前進(後退)接触角が観察される．図 7 の平面図のように，最大幅より下方(上方)の接触線の運動を考えれば，下方(上方)
周囲には，すべて θA(θR)が現れると考えられる．θA～θR への変化は，最大幅の平行部で起こる．このようなβの周方向変化は，液滴形状の数値計算結果からも認められる[16]．
ここでは，式(15)を液滴の転落に対する厳密な臨界条件と見なす．式(15)が成立するとき，液滴の幅 b がわかれば，所定の体積の液滴が転落する
角度φや所定の傾斜角度における転落体積 V が計算できる．ここでは，水平板上に液滴を設置した
後，傾斜角度を増加させる場合を対象とし，具体的に b を求める方法を述べる．その結果を用いて転落角度を算出し，実験結果との比較を行うとともに，式(15)の厳密性について検討する．
3.2 液滴の転落角度の計算
水平状態から平板の傾斜を増加させるとき，液滴はポテンシャル
エネルギーとぬれによるエネルギー変化を小さくするよう，水平状態での幅を一定に保ち，平板下向きに徐々に伸張すると予想される．実際，液滴の挙動を観察すると，傾斜板上の液滴の幅が変化
b
σL

(14)

θR

x

y

x

z

C

θA

ここで，ρ は液体の密度，g は重力加速度で，V は液滴体積である．左辺の積分は，接触線 C 上にとっている．βは接触線上で，液体表面と固体表面のなす局所の接触角である．また，αは，図 7 に示すように，接触線の線素 da に対する平板内法線

伝熱ベクトル n と重力成分方向とのなす角度である．
最大幅 b より下方(上方)の周囲のすべての位置で，前進(後退)接触角が現れると仮定すれば，接触線の形状に関わらず，式(14)の積分を容易に行うことができ，次の関係が成立する[13]．

σL

φ

da

α

n

図7

- 24 -

転落時の液滴の模式図

J. HTSJ, Vol. 46, No. 194

特集：固液界面の濡れ性の機構と制御
かなり小さく[0.1mm/(分)程度]，転落角度φC の判
断には特に留意が必要である．今回の測定では，10 倍の拡大画像から液滴の先端・後端を交互に観測し，全体が数分間連続して移動している状況を確認し，転落角度を決定した．図 9 より，転落角度の測定値は，前節の方法で求めた図中の理論曲線とよく一致しており，転落角度がほぼ正確に予測できることがわかる．試料板ごとの結果を見ると，接触角の大きいテフロンの転落角度が最大となっている．通常予想されるように，ぬれにくく，玉状の液滴は転落しやすそうに思える．しかしながら，転落角度は接触角履歴にも大きく依存していることがわかる．
液滴が転落する臨界条件を表す式(15)の厳密性を調べてみる． 3 種類の供試液体と試料平板に対するすべての実験値について，式(15)で示される力の釣り合いが正確に成立するかどうかを調べた．
式(15)との比較のため，式(14)左辺において，接触
角 β が，液滴先端や後端の θA や θR から，最大幅 bの位置まで周方向に線形的に変化すると仮定する．
ここでは，(θA，θR)から(θA-5°, θR+5°)まで変化する場合(a)と，θA，θR ともに(θA+θR)/2 まで変化する
場合(b)を考える．液滴周囲曲線を円弧で近似し，式(14)左辺の積分を行うことにより，それぞれの表面張力の合力を算出した．
図 10 は，横軸にφC の測定値から求めた式 (14)，(15)の右辺，すなわち液滴に作用する重力 ρgVsinφCを用い，縦軸に式(14)および式(15)左辺の表面張力

しないことが確認できる．このとき，水平平板上に設置したときの軸対称液滴形状を求め，その径を最大幅 b として式(15)に用いれば，転落角度φが計算できる．
水平平板上の軸対称液滴形状は，従来，種々の条件下で数値解が得られている．図 8 のように，液滴の中心軸を z 軸とし，z 軸から液滴表面までの距離を r で表す．図 8 の液滴形状は，気液界面での力の釣り合いを表す，次の軸対称ラプラスの方程式より決定できる[17]．

⎡σ L ⎢−{(d 2 z / dr 2 )⎢ 1 + (dz / dr )⎣}2 3/ 2−⎤⎥r 1 + (dz / dr ) 2 ⎥⎦= − ρgz + ΔP
dz / dr(16)

ここで， ΔP は固体面 z=0 における液滴内圧力と大気圧との差圧である．式(16)の境界条件として，
半径 r=0 で dz/dr=0 を考える．また，シリンジなどで所定の体積まで増加させて液滴を設置するとして，液体は固体面と前進接触角 θA で付着する条件を考える．これらの境界条件ならびに所定の体
積 V の条件の下に，式(16)中の未知パラメータΔPを決定し，液滴形状を数値的に求めることができる．その結果から求めた液滴径を式(15)の幅 b に用い，転落角度φC を算出した．
3.3 実験結果との比較
3 種類の供試液体(エチレングリコール 50%水溶液，グリセリン 50%水
溶液，蒸留水)と試料平板(塩化ビニル，アクリル，
テフロン ) の組合せについて転落角度の測定を行った．ここでは，エチレングリコール 50%水溶液(ρ=1067kg/m3 ， σL=57.0N/m) の結果について示す．
各平板に対する接触角の測定値を表 1 に示す．接触角の精度を良好にするため，測定は 2 通りの方法で行い，平均値を採用した[11] [18] ．表 1 より，テフロンは他の試料平板より液体とぬれにくく，接触角は大きい．同時に接触角履歴も他のものよ
り大きいことがわかる．
図 9 に，液滴体積による転落角度φC の変化を示す．液滴の転落が起こるとき，その転落速度は

図8

伝熱

表1

Vinyl chloride
Acryl
Teflon図9軸対称液滴の座標系

2007 年 1 月

接触角の測定値(エチレングリコール 50%水
溶液)
θR°
θA°

- 25 -

75.4
65.7
110.9

50.1
46.1
71.7

液滴の転落角度の体積による変化

J. HTSJ, Vol. 46, No. 194

特集：固液界面の濡れ性の機構と制御の合力を用いてプロットした結果である．実験値
ρgVsinφC が，表面張力の合力の計算値に一致するな
らば，各プロットは，図中に示した 45°の直線に乗るはずである．図からわかるように，式(15)左辺を用いた各点は，ほぼ直線上に分布しているが，他の2 つは，直線から下方にずれている．式(15)左辺と横軸の実験値との差の平均は±2%である．一方，上記(a)，(b)の場合，縦軸と横軸のずれの平均は，それぞれ-17%および-32%であった．以上の結果から，
式(15)は，液滴が転落する正確な臨界条件を表しているといえる．
3.4 転落角度を利用した表面性状の評価
前節の結果から，接触角履歴と転落角度の関係を理論的に求めることができた．この方法の応用として，近年注目されている自己組織化単分子膜(Self
Assembled Mono-layers, 以下 SAMs と略す)表面の性状評価を考える．SAMs 分子は，アルキル鎖の両端にシリル基と機能性官能基をもつ構造をとる．
機能性官能基を変えることにより，電気伝導性や
撥水・親水性など種々の特性を表面に課すことができ，電子デバイスやバイオセンサ等，様々な分野への応用が期待されている．本実験で用いた試料板は，日本曹達(株)が開発した浸漬法により，シリコンウェハー基板上に単分子膜を施したものである[19]．SAMs 分子として，撥液性を示す CH3を機能性官能基にもつオクタデシルシラン単分子膜を用いた．表面の性状を変化させるため，4 種類の浸漬時間(2，3.5，5，長時間)で膜を生成した
試料板を用いた．図 11 に，原子間力顕微鏡(AFM)
による試料板表面の観測結果を示す．図 11(a)の浸漬時間 2 分では，浸漬時間が充分でないため，中央下部に基板の露出した部分が現われている．図11(b)の浸漬時間 5 分(標準膜)では，表面の凹凸は1nm 程度で，ほぼ一様な膜が生成されている．標準膜より浸漬時間を長くすると，単分子膜の上に結合の弱い膜が重なって形成され，多層構造となる．図 11(c)の長時間膜では，スポット的に膜厚の大きい多層構造の存在が見受けられる．
図 12 は，供試液体として，ブチルカルビトール
アセテート(以下 BCA と記す，ρ=975.1[kg/m3]，
σL=29.9[N/m])を用い，上述の SAMs 試料板に対する接触角を測定した結果を示している．表 2 は，
接触角履歴(θA-θR)を表している．浸漬時間の増加
とともに，SAMs 膜の形成が進み，撥液性を示す
機能性官能基の表面占有率が増加する．その結果，接触角の値は増加するが，浸漬時間 5 分を超え，多層膜を形成し始めると，機能性官能基以外の部位が表面に露出する．このような影響により，図(a) 2 分図 11(b) 5 分(c) 長時間
SAMs 表面の AFM 画像(θ A ,θ R )(θ A − 5°, θ R + 5°)∫ cos θ ⋅ cos α ds ×10

4

図 12 浸漬時間による SAMs 膜接触角の変化

C

表 2 浸漬時間による接触角履歴の変化
Immersion
long
2
3.5
5
time (min)
time

−σ

(θ A − θ R ) o⎛θ + θR θ A + θR ⎞
,
⎟
⎜ A
2 ⎠
⎝ 2

図 10 表面張力と重力の釣り合い状況

2007 年 1 月

4.9

2.6

表 3 SAMs 膜の液滴転落角度
Immersion time
2
3.5
5
(min)
20.8
25.6
14.2
φ(Exp.)
20.6
26.0
13.8
φ(Theory)ρgV sin φC × 10 4

伝熱

3.9

- 26 -

3.7

long
time
20.3
19.8

J. HTSJ, Vol. 46, No. 194

特集：固液界面の濡れ性の機構と制御

12 のように後退接触角が若干減少傾向を示すものと考えられる．接触角履歴の大きさは，均質な表面で小さく，欠陥が増すと大きくなることが知られている．表 2 からわかるように，接触角履歴は一様な構造をとる浸漬時間 5 分の標準膜で最小となっている．しかしながら，他の膜との差は小さく，欠陥膜を判別するには，精度のよい接触角の計測が必要となる．
表 3 は，体積 1μl (≡1mm3)の液滴の転落角度の測定値と理論値を比較した結果である．表中の理論値は，前節の方法で算出したものである．理論値
は測定値と 0.5°以内の差で一致している．転落角
度は，接触角履歴の最も小さい 5 分の標準膜で最小となっており，その値は他の欠陥膜と比して6°以上小さくなっている．この値は接触角履歴の差よりも顕著であり，転落角度を用いた簡便な膜質判別が可能である．

も，転落角度は接触角の高精度の計測より容易であり，様々な表面の性状評価法として期待できる．
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４．おわりにぬれ性を表す接触角には，履歴現象というやっ
かいな問題がある．実際の接触角の計測では，液滴を固体面上に注射針などで適当に設置し，現わ
れた接触角をそのまま採用する例がしばしば認められる．このときの接触角は，前進接触角と後退接触角の間のある値を取り，再現性や測定値の信頼性が乏しい場合も多い．また，単一の接触角を用いた議論は，ぬれやすさの定性的な比較に留まる場合はよいが，液滴や気泡の力学的な挙動を考える際には，履歴現象を無視した議論は成り立たない．接触角の計測に当たっては，前進・後退接
触角両者を求めるのが望ましい．
接触角の履歴現象は表面上の不均質が原因となって引き起こされるが，現象が複雑であるため，正確なメカニズムは未だ知られていない．しかしながら，実際のぬれ挙動を観察すると，接触線の3 次元的な歪みやスティックスリップ運動が現れる．履歴現象には，接触線の移動に伴う不加逆運動が関与している可能性が高いと思われる．
接触角の履歴現象が大きな影響を及ぼす液滴の転
落角度や転落体積については，近似的な整理式や多くの計測例が報告されている．転落角度の計測
方法を見ると，転落開始時を詳細に観察して判断した例はほとんどないように思われる．転落開始
時の液滴の移動速度はかなり小さく，転落の判別には注意が必要である．このような点に留意して

伝熱2007 年 1 月- 27 -J. HTSJ, Vol. 46, No. 194

特集：固液界面の濡れ性の機構と制御

放射線誘起表面活性による濡れ性の機構とその制御
Mechanism and Control of Surface Wettability using Radiation Induced Surface Activation

賞雅 寛而（東京海洋大学）
Tomoji TAKAMASA (Tokyo University of Marine Science and Technology)
e-mail: takamasa@kaiyodai.ac.jp1ξ=< Afs >A

Wall wetting ratio, ξ

1. はじめに
1.1 壁面濡れ性と伝熱流動
気液二相流熱流動の適切なモデル化は，われわ
れ伝熱工学研究者の究極の目的のひとつであり，
長年にわたり，国内外の多くの研究者の絶え間ない実験的・解析的研究が行われてきている．例えば気液二相流動の代表的モデルである二流体モデ
ルには多くの気液相間構成方程式が提唱されまた発展してきている．一方，管内気液二相流の境界条件である管壁面条件については多くの場合，流動条件によって，液もしくは気相の単相流粘性底層モデルがそのまま使用されていることが多い．
しかしながら，気液二相流動は気液両相が管内を同時に流れる流れであり，本来気液両相の壁面接
触を勘案した境界条件を用いなければ伝熱及び流動現象の正確な模擬は難しいことは自明である（例えばチャーン流，液滴環状流がそうであるが，ミクロ的には通常の気泡流やスラグ流も気泡の壁面衝突やスラグ液膜破断を考えると単相流壁面条
件の適用が適切でない事象は少なくないだろう）．
ここで，本来の気液二相流の壁面の境界条件を壁面に接触する気液相の割合すなわち濡れの割合
ξを用いてあらためて整理してみよう[1]．

2007 年 1 月

Slug

Churn

Annular
Mist

0

0

1
Quality, x

図 1 管内気液二相流動の壁面境界条件
気液そして管壁面固相の３相を考慮した境界条件，
すなわち壁面の濡れの問題は，加熱系のみならず断熱系においても気液二相流のシミュレーション
にとって非常に重要な研究課題であることはここ
で重ねて強調しておきたい．この重要性については多くの識者によってこれまでにも指摘されている[2]が，濡れ性が表面化学因子を考慮しなければならず工学的に取り扱いが難しいために，実用的な研究はほとんどなされていないといって良い．
気液二相流は多くの流動パラメータによって支配され，各現象の支配パラメータは無次元数整理されている．しかしながら，一般的に濡れ性を表す
無次元数は未だ提唱されておらず，すなわち濡れ性を持ってマクロに流動を表す構成方程式がほとんどないことからも，この分野の研究の未発達性
がわかる．

(1)

ここで，A は壁面面積，＜Afs＞は，時間平均の液相と壁面の接触面積である．
液単相流のときξは 1 であり，ガス単相流の時にはξは 0 になる（図 1）．しかしながら二相流の場合には，チャーン流，液滴環状流はもちろん気泡流やスラグ流でも気相が壁面に触れる確率は 0ではありえないために，液単相流の境界条件を適用することは基本的に正しくない．また噴霧流の場合にも，液滴の壁面衝突を考えなければならず
ガス粘性底層モデルをそのまま流動の境界条件にすることは不適切であるといえる．したがって，

伝熱

Bubbly1.2 放射線誘起表面活性
濡れ性は表面化学因子によって制御が可能であり，たとえば酸化チタンなどの半導体材料を用い- 28 -J. HTSJ, Vol. 46, No. 194

特集：固液界面の濡れ性の機構と制御た光触媒反応は良く知られている気液接触面の濡れ性向上技術の一つである．酸化チタンの励起エ
ネルギーは紫外線のエネルギーとほぼ等価であり，従って酸化チタンは紫外線に対して反応し，また酸化チタン以外に安定した光触媒反応を起こす金属材料が無いとの理由から，光触媒反応は紫外線と酸化チタンの組み合わせで利用されている[3]．
前述のように気液二相流熱流動は壁面の濡れ性に大きく影響され，沸騰現象においては沸騰気泡下のミクロ液膜の挙動も，表面張力や固体表面の濡れ性に大きく影響される．一般的に濡れ性が良い
ほど液膜が形成されやすくなり，高熱伝達率の安定した核沸騰が生じ[4]，従って，伝熱面に光触媒
壁面を用いることにより，核沸騰熱伝達率と限界
熱流束の向上が達成できることになる．高田らは，紫外線照射による酸化チタン塗布沸騰面の核沸騰
熱伝達率の向上を確認している[5]．この研究結果
は光触媒反応による表面化学反応，特に濡れ性の向上が沸騰熱伝達の向上に寄与していることを示唆している．しかしながら，この光触媒を利用した沸騰熱伝達改善の実用化には次のようないくつかの問題が残されている．
1) 伝熱部に紫外線を外部から照射することが難しい．透明配管などの特殊な設備が必要．
2) 酸化チタン塗布伝熱面は，物理的化学的に不安定であり，長期の使用が難しい．
3) 伝熱面に一般的に使用される酸化金属被膜が使用できない．
ここで，放射線（γ線）による表面触媒反応は，γ線のエネルギーが紫外線より 5～6 桁大きい（従って酸化チタンのみならず，どの酸化金属の励起エネルギーよりもはるかに大きい），γ線の強い透過性のために表面で反応を生じる確率が著しく小さいとの理由から，ほとんど研究が行われていな
かった．しかしながら，十分なγ線の照射により，放射線による表面化学反応が生じる可能性があるという考えから，筆者らの研究グループによる基礎研究が行われた．その結果，プラズマ溶射された酸化金属被膜を用いることにより，放射線照射による電気化学反応及びその効果による表面濡れ性の向上と伝熱特性の改善がγ線照射によって生じることを，世界で初めて確認した（図 2）．この放射線による表面活性は放射線誘起表面活性（Radiation Induced Surface Activation: RISA）と呼伝熱2007 年 1 月- 29 -

母材

皮膜
電子
e-

O2+2H2O
カソード反応
4OH－

γ線

γ線

【自励法】
母材または皮膜を放射化し、放射線供給【外部供給法】
60Co等の放射性物質や原子炉から放射線供給

2H2O
h+
正孔

4H++ O2

アノード反応

放射線誘起表面活性

図2

放射線誘起表面活性の原理

ばれている．
ここでは，放射線誘起表面活性（以下 RISA）
による表面濡れ性と伝熱向上研究の現状を解説す
る．
2.RISA による表面濡れ性向上
室温濡れ性は，RISA により濡れ性は非常に良くなり，放射線強度や酸化金属被膜の種類などの条件にもよるが，およそ 250 kGy から 300 kGy の積算照射で接触角測定不能なおよそ 8 度以下の超
親水性状態になる．またこの濡れ性向上は暗所放置（γ線非照射）によって元の値に戻る，すなわ
ち光触媒同様の電気化学反応であることが確認されている[6-8]．ここではボイラや沸騰水型原子炉への適応を確認するために行われた，圧力 14 MPa，
温度 280℃までの高温高圧環境における液滴濡れ性研究を紹介しよう[9]．図 3 に，γ線照射前後における液滴接触角の温度依存性実験結果を示す．
アルミおよびステンレスとも，γ線照射前の液滴接触角は，常温から 120℃の範囲で温度の上昇に伴って緩やかに減少し，150℃を超えたあたりから急激に減少する傾向を示している．Bernardin らは，250℃以上の高温環境において，分子力モデルから，
液滴接触角が 0 となる超親水性状態になることを予想しているが，250℃以上の温度域でも超親水性状態にはならず，接触角は 30-40°でほぼ一定に推移する．これは水イオン乖離定数が 250℃でピークを持ちこれ以上の温度での親水化が進まないためであると推定される．一方，γ線照射後の液滴接触角は，常温から 200℃温度域において積算
照射量の増加に伴い大きく減少し，2070 kGy の照射で接触角が 0 となる超親水性状態になっている．

J. HTSJ, Vol. 46, No. 194

特集：固液界面の濡れ性の機構と制御
140

100

Heat Flux, q [W/m2]

120
Contact Angle, θ [deg.]106

Non-irradiation
Stainless 304
Zircaloy
Aluminum (Bernardin et al.)After 3850 kGy Irradiation
Stainless 304

80
60
40

Oxide Titanium: Non irradiated: 0kGy in water (20hr): 0kGy ( 0hr)
: 6.5kGy ( 4hr50min): 41kGy (23hr50min): 2 months after
the irradiation

105

20
0

0

50

100 150 200 250

104

300 3501

10Wall Superheat, ΔT [K]oTemperature, T [ C]

図4

図 3 高温高圧下の液滴接触角と RISA 効果（P=15 MPa, Bernardin は 0.64 MPa）

200℃を超えると超親水性状態にはならず，液滴接
触角は温度の上昇に伴い徐々に増加し，照射前の値に近づく傾向を示している．いずれの試験片も250℃以上ではγ線照射により濡れ性は向上するが，その程度は低温域と比較して小さく，γ線照
射前に対する接触角の低減率は 30-50 %であった．
これらの結果は，RISA 効果は高温高圧環境下でも生じるが室温状態と比較して小さくなることを示している．
3.RISA による沸騰伝熱向上
RISA による高温伝熱面の濡れ性の向上すなわ
ちライデンフロスト温度は，試験片への液滴落下
後再付着が生じる温度を濡れ限界温度とし，この濡れ限界温度の変化により濡れ性の変化が評価されており，この結果積算照射線量の増加に伴い濡れ限界温度が向上すること，また室温で接触角の小さい試験片ほど濡れ限界温度が高いということが確認されている[6]．また前述のように RISA 効果によって大気圧条件のプール沸騰限界熱流束が向上することが基礎研究により確認されている．
図 4 に放射線照射下のプール沸騰曲線例を示す[10]．照射直前後を比較すると，両者はほとんど変化が無く，γ線照射により水の分解が生じても沸騰曲線に影響がないことを示している．また積
算線量の増加に伴い沸騰曲線が低熱流束部から高過熱度側に移行し，熱伝達率が劣化していること

伝熱2007 年 1 月

RISA 沸騰曲線がわかる．観察結果から，γ線照射により，明らかに発泡点密度が減少していることが確認できた．
同じ熱流束で加熱している状況で，発泡点密度が減少しているため，壁面過熱度が上昇し，この熱伝達の劣化を生じている．また ITO 膜を使った可視化沸騰実験から，RISA 効果により発泡点密度が減少しても，伝熱面の濡れ性がよくなることで非照射時と比較して離脱気泡割合が増加することで，乾き面が減少し伝熱面の除熱量が促進され，限界熱流束が向上していることが確認された．
図 5 に RISA 限界熱流束（CHF）向上研究の一例として，日本原子力研究開発機構の材料試験炉

5

CHF, qCHF0 (MW.m2)

Katto and Ohno (1984)
4
3
2
before irradiation
during irradiation
after irradiation

1
0
0

100 200 300 400 500 600 700
mass flux, G (kg/(m2s))
図5- 30 -JMTR における CHF 試験

J. HTSJ, Vol. 46, No. 194

特集：固液界面の濡れ性の機構と制御（JMTR）を用いた炉内照射環境下の流動場における試験結果を示す．この試験部は直径 2 mm×
長さ 100 mm のステンレス製円管であり，圧力 420
kPa，質量流束 180～630 kg/(m2s)，入口サブクール
度は 230～530 kJ/kg である．推定放射線量は 540
kGy/h であり，この値は従来 RISA 関連実験で使用されている 60Coγ線照射施設の 10～100 倍の強度となる．図より，原子炉での照射により限界
熱流束が平均約 17％程度上昇していることがわ
かる．
またリフラッディングへの RISA 効果として，
図 6 に示されるように 20-30%の再冠水速度の上昇が確認されている[7]．このように，ある限定された試験範囲であるが，伝熱特性が RISA 効果により向上することが示されており，この技術を実用化するために，より実機運転条件（温度圧力，
放射線強度など）に近い RISA 効果実証試験が必要な段階に来ている．

1000

Gap = 4.0 mm
oInlet water temp. = 50 [ C]
Inlet water vel. = 41 [mm/s]
Before irradiation
After 23.5h irradiationoWall temperature,T [ C]

900
800
700
600
500

TC1

400

TC2

TC3
TC4

300

TC5
TC6

200
100
0

0

25

図6

50
t
Time, [s]75

リフラッディングへの RISA 効果

たものであり，阿部らによれば図 7 のように説明される[11]．すなわち，γ線や紫外線照射により酸化被膜中に励起された正孔と電子が，それぞれ
酸化被膜表面と酸化被膜金属界面に拡散し，アノ

4.RISA のメカニズム
前述のように RISA 効果は光触媒機能に類似し

真空
高温流水の影響-5.9eV金属e
電子の拡散
金属露出部へ
（腐食電池電流）

水

ZrO2

2eV程度
表面電荷量に依存ee

伝導帯-3.4eV

コンプトン(多重)散乱電子-4.5eV
TiO2-5.7eV

hν
5.0eV

~-7eV

e
荷電子帯

再結合

OH-

H+/H2
O2/H2O・OH

表面OH基による濡れ向上
・ナノ水滴形成効率向上

h
耐食性向上の要因
・ZrO2層から金属層への電子の移行促進

ぬれ性向上の要因
・表面でのe-h再結合の促進

酸化物層のバンド構造については実際に含有される不純物準位や欠陥準位等を反映させていない模式的なものである。

図7

伝熱2007 年 1 月

RISA 効果のモデルと問題点- 31 -J. HTSJ, Vol. 46, No. 194

特集：固液界面の濡れ性の機構と制御

Contact Angle (deg.)

90
80
70
60
50
40
30
20
10
0

340KGy340KGy irradiatedirradiated

図9

液滴接触角の液種依存性

2007 年 1 月

White spots
are observed

照射による水クラスタの生成

純水を用いて，付着液滴表面が試料表面となす角（接触角）を調べると，酸化剤ではほぼ影響が無いのに対し，還元剤では親水性が低下した．これは，還元剤により酸化被膜表面に蓄積した正孔が消費され，RISA により生成された正孔が親水化に寄与していることを意味している．
また，「(A)放射線照射による励起過程に及ぼす
被膜・基板及び水の効果」に関しては，ZrO2 と比較してバンドギャップの小さい酸化物を含む試料では親水化速度が高いこと，及びγ線照射後にpH3～pH11 の酸，アルカリ水溶液中に浸漬した後の親水性は維持することが確認された．この結果
は，上段で述べたメカニズムを支持している．
「(B)放射線種の効果」については，γ線及び紫外線照射による接触角の変化を，照射による親水化とその減衰の速度論から導いた接触角と表面張力との関係の理論式[13]と比較した結果，RISA に
より表面に生じる親水化因子には，短寿命成分と長寿命成分の二種類あり，γ線照射では長寿命成分が比較的多く，よって RISA では紫外線照射より親水性が長時間保持されることが確認された．
γ線照射下では原子のより内核の電子励起やイオン化が生じやすいことに関係すると考えられる．
実機適用性を考慮するうえで重要な「(E)高温における RISA」については，高温高圧水ループを用いた接触角計測試験から，非照射の場合でも高50 100 150 200 250 300 350 400 450
Integrated Irradiation Dose (kGy)

図8

伝熱

No
No irradiatedirradiated

Water
Hexa decan
Ethylene glycol0

FFM image

AFM imageード反応とカソード反応が生じ，表面は親水化す
る．
しかしながら光触媒効果同様，RISA 効果の機構は明らかになっているわけではない．素過程ごとに疑問点を整理すると，「（A）放射線照射による励起過程に及ぼす被膜・基板及び水の効果」，「（B）放射線種の効果」，「（C）表面反応電荷」，「（D）放射線照射によって励起し親水化に寄与す
る物質とその形態」，「（E）高温における RISA」，等がある．これらのうち(A)-(D)は基礎的な親水化の機構論の観点だけでなく，被膜材料開発の観点からも重要であり，さらに(A),(B),(E)は実機適用性を議論するうえで重要な知見となる．
まず「(D)放射線照射によって励起し親水化に寄与する物質とその形態」について述べよう．水，
親水性溶媒，及び疎水性溶媒の液滴を用いて濡れ性を調べると，親水性溶媒の場合は水と同様に線量増加に伴い濡れ性が向上するが，疎水性溶媒の場合は照射前には疎水性を示したものが照射後には疎水性が低下した（図 8）．照射により親水化した表面には，nm スケールの親水化領域が高密度に分布することが，試料表面の摩擦力分布を得られ る 摩 擦 力 顕 微 鏡 （ Frictional Force Microscope(FFM)）像の観察及び表面粘着力計測からわかった（図 9）．これらの結果から，RISA による親水化現象は，酸化チタン同様[12]，電気化学的変化によるものであって，照射により表面に存在する
nm スケールの水クラスタが高濃度化してマクロな親水化を誘引したものであり，放射線照射による物理的変化（表面凹凸の変化など）ではない．
次に「(C)表面反応電荷」であるが，γ線照射試
料を酸化剤溶液及び還元剤溶液中に浸漬した後に- 32 -J. HTSJ, Vol. 46, No. 194

特集：固液界面の濡れ性の機構と制御
温環境（285℃）では親水化するが，追照射（γ線
線量 378 kGy，大気中）によりさらに親水化した結果を得，第 2 章で述べた結果と合わせて，実炉温度環境においても濡れ性向上に対し RISA 効果
が有効であることが確認された．
総じて RISA 効果による親水化モデルは次のよ
うに記述される．すなわち，放射線照射によって形成された正孔は酸化被膜表面に拡散し溶液中の電子と再結合消滅し，適切な不純物準位や欠陥準位が存在すると励起効率は向上する．この時の電気化学反応は酸化ジルコニウムの荷電子帯上端の水素基準電位（Standard Hydrogen Electrode (SHE)）に対する電位（-3.9eV vs. SHE）と表面におけるバンドの褶曲を考えると(2)
OH- + h+ → ・OH (-2.5eV vs. SHE)であると考えられ，形成された OH 基によって表面の水ナノクラスタが励起され，これが親水化に寄与する．またγ線照射下の親水化因子は光触媒で生じる因子より長寿命であり，従って，例えば原子炉内においては RISA 効果が長時間保持されるだろう．

累積している．従って，気液二相熱流動に関連する研究課題は未だ無限であり，これからの若い研
究者のチャレンジングな取り組みを期待したい．
参考文献[1] 賞雅寛而, 日本混相流学会年会講演会 2004 講
演論文集, (2004) 107-112.
[2] 庄司正弘, 第 39 回日本伝熱シンポジウム講演
論文集, (2002) 572-573.
[3] Fujishima, A. and Honda, K., Nature, 238 (1972)
37.
[4] Liaw, S. P. and Dhir, V. K., Proc. 8th Int. Heat
Transfer Conference, 4 (1986) 2031-2036.
[5] Takata, T. et al., Thermal Science & Engineering,
8-6 (2000) 33-41.
[6] Takamasa, T. et al., Thermal Science &Engineering, 12-2 (2004) 39-44.
[7] Takamasa, T. et al., Experimental Thermal andFluid Science, 29-3 (2005) 267-274.
[8] 経産省資源エネルギー庁「革新的実用原子力
技術開発費補助事業」, 「放射線誘起表面活性効果による高性能原子炉に関する技術開発」 , 平成 16 年度成果報告書 , 神戸製鋼所(2004).
[9] 廣瀬由典, 他 3 名, 第 11 回動力･エネルギー技
術シンポジウム講演論文集, (2006) 223-224.
[10] Proc. Int. Symp. Mechanism and Applications ofRadiation Induced Surface Activation 2005,
Tokyo (2005).
[11] 賞雅寛而, 阿部弘亨, 他 2 名, 日本原子力学
会誌解説, 1 月号掲載予定 (2007).
[12] Wang, R. et al., Nature, 388 (1997) 431.
[13] Seki, K. and Tachiya, M., J. Phys. Chem., B108
(2004) 4806.
[14] 深町典博, 他 2 名, 日本混相流学会年会講演
会 2002 講演論文集, (2002) 239-240.

5.まとめ
以上，RISA による表面濡れ性及び沸騰熱伝達向上に関する研究の現状を概説した．序章で述べたように RISA は我国で初めて確認された現象であり，原子炉ばかりでなく多くの工業的利用を目指した研究開発例えば外部照射ではなく金属母材を放射化して非放射線環境下でも濡れ性を向上させる研究（図 2）などが鋭意進められている[14]．
RISA の研究は，伝熱流動のみならず，放射線材料，電気化学等多数の基礎工学分野にまたがって行われる境界領域研究である．気液二相熱流動現象には，このような境界領域にここで示した表
面濡れ性の問題を含めて今もって多くの不明点が

伝熱2007 年 1 月- 33 -J. HTSJ, Vol. 46, No. 194

特集：固液界面の濡れ性の機構と制御

プラズマ照射による濡れ性改善と相変化伝熱への応用
Wettability Change by Plasma Irradiation and Its Applications to Phase Change Phenomena

高田 保之（九州大学）
Yasuyuki TAKATA (Kyushu University)e-mail: takata@mech.kyushu-u.ac.jp
1. はじめに
伝熱面の濡れ性が相変化伝熱系に及ぼす効果については，近年活発に議論が行われており，日本
伝熱シンポジウム，日本機械学会，混相流シンポ
ジウムなどで毎年のようにオーガナイズドセッシ
ョンやワークショップなどが組まれている．
沸騰，蒸発などの気液相変化系で濡れ性の効果を正確に議論するには，伝熱面の濡れ性のみを変化させて実験を行う必要があるが，これはなかな
か難しいことである．従来は，伝熱面表面に何かをコーティングすることにより，接触角を変化させていたが，浸漬冷却実験などにおいてはコーテ
ィング層をミクロンオーダーにまで薄くしてもコーティング層自体の熱物性の影響を排除できず，濡れ性のみの効果を抽出することが困難であった．
1995 年に酸化チタンの超親水化現象が発見されて以来，紫外線の照射によって表面の濡れ性のみを変化させることが可能となり，著者はこの現象を利用して一連の実験的研究[1]を行った．賞雅らはガンマ線により金属酸化物表面の濡れ性が改善する効果(RISA 効果[2])を発見し，原子炉の燃料
棒表面の伝熱促進や限界熱流束の向上への利用を計画している．
紫外線や放射線以外で表面の濡れ性を変化させる方法として，プラズマ照射が利用されている．
例えば，印刷，接着，ハンダ付けなど工程では，プラズマ照射による濡れ性改善が実用化されている[3]．著者らはプラズマ照射を利用した相変化伝熱の促進を提案し，接触角の変化や液滴蒸発などの一連の実験的研究を行ってきた．こここでは，プラズマ照射による濡れ性改善の特性，相変化伝熱への適用例などを紹介する．

従来から多くの研究がなされている．表面改質の場合，プラズマ照射により固体表面に生成するラジカルを利用して重合反応をさせて表面を種々の物質で修飾する場合と，物質との反応はさせずに発生するラジカルを利用する場合とがある[4]．著者の場合は後者を利用している．
プラズマを照射すると表面にどういう影響があるのかについてはいくつか研究報告[5-7]がある．最近 Liu らはプラズマ照射前後のポリマー表面に存在する分子を XPS で分析した結果を報告している[8]．それによると，照射前に観察されなかった
水酸基，カルボシキル基，アミド基などの極性基がプラズマ照射後の固体表面で検出されている．
これらの極性基は表面エネルギーが大きく，濡れ性が向上する．彼らはポリアクリロニトリル表面における水とグリコールの接触角の値を報告している．いずれの液体もプラズマ照射後の接触角は減少しているが，その値は 18～35°程度であり，
超親水状態までには至っていない．

2.プラズマ照射による親水化特性
2.1 親水化のメカニズム
プラズマ照射による表面改質や洗浄に関しては(b) Effect of surface activation
Figure 1: Reaction of the surface by plasma
irradiation伝熱2007 年 1 月- 34 -

Dirty surface

Plasma particle
combines with dirt.

Pure surface(a) Effect of rinse and cleaning of grease
Gas adsorption layer
Oxide layer

The surface is hydrophobic when the gas
adsorption layer
covers the surface.

Oxide layer

The surface becomesPlasma particle comhydrophilic as the oxidebines with moleculeof gas adsorption layer. layer with high activity
appears on the surface.

J. HTSJ, Vol. 46, No. 194

特集：固液界面の濡れ性の機構と制御
金属表面には通常 30～40Å の酸化皮膜と 2～3Åの気体吸着層が存在する．さらに，その上には有機物などの汚れが付着しており，表面のエネルギ
ーは低い状態にある．プラズマを照射すると，プ
ラズマ粒子と表面の汚れが結合して除去され図1(a)のように洗浄された表面が現れる．さらに，
図 1(b)のように気体吸着層とプラズマ粒子が結合することにより，非常に親水性の高い酸化層が現れる．このようなプラズマ粒子と表面物質との相互作用により，当然ミクロなレベルで表面の凹凸が作られることになる．
しかしながら，このような親水性の表面は永久的ではなく，時間の経過とともに元の状態に回復していく．伝熱促進の立場からは永久に親水性の表面が望ましいが，残念ながらプラズマ照射の場
合は長時間表面を親水化させることは難しい．したがって，この方法を伝熱促進に利用できる場面は限定されることになる．

2.3 表面粗さ，親水化および疎水化特性
プラズマ照射照射による固体表面の親水化は手軽ではあるが，永久に親水化される訳ではなく，一定の時間が経つと元の疎水状態に回復する．親水化および疎水化特性は対象となる固体の材質によって異なる．また，非常に微細なレベルでは照射により，表面の粗さが変化する．したがって，各々の物質に対して照射時間と，表面粗さ，親水化および疎水化の関係を予め把握しておく必要がある．
図 3 はプラズマ照射による表面粗さの変化の一例である．横軸は表面仕上げ（エメリー紙の番号），
縦軸は表面粗さである．表面の材質は銅およびア
ルミニウムである．#600 および鏡面仕上げの表面に対してプラズマ照射を行い，前後の粗さを調べた．図から#600 のアルミニウムに対してはプラズ
マ照射後の粗さが増加しているが，他の材質，鏡面仕上げ面に対しては影響が見られない．

0.8

2.2 プラズマ照射器
著者らが使用したプラズマ照射器はキーエンスの濡れ性改善プラズマ照射装置 ST-700§(図 2(a))という製品で，接着やコーティングの前処理に使用するものである．タングステン電極(図 2(b))で放電させ空気をプラズマ化して空気で固体表面に吹きつける構造である．出力は 200W であり，10～90 秒の間で照射時間を設定できる．図 2(c)は金属表面にプラズマを吹きつけている様子である．

Copper Normal
Aluminium Normal
Stainless Steel normal
Copper Plasma
Aluminium Plasma
Stainless Steel Plasma

Ra [ μm]

0.6
0.4
0.2
0
#320#600#1000 #1500 #2000

Mirror

Surface Finish
Figure 3: Change in surface roughness[9](b) Electrode(a) Plasma generator

図 4 は銅およびアルミニウムに対するプラズマ
照射による親水化特性である．横軸は照射時間，
縦軸は接触角である．図中に初期接触角も示してある．照射数秒後には接触角が大幅に減少し，照射時間とともに徐々に減少していく．材質による違いは明白で，例えば銅は初期接触角 102°から徐々に減少するものの最終到達接触角は 10°程度である．エメリー紙による表面の仕上げに対してもバラつきが大きい．一方，照射により最も優れた親水性を示すのはアルミニウムであり，最終到(c) Plasma irradiation

Figure 2: Irradiation to aluminum and the electrode ofplasma irradiator§

本製品は現在では生産中止となっている．

伝熱2007 年 1 月- 35 -J. HTSJ, Vol. 46, No. 194

特集：固液界面の濡れ性の機構と制御
達接触角は 2～3°の超親水状態である． #600 のエ
メリー紙仕上げ面が最も安定なようである．図には示していないが，ステンレスに対する測定も行
っている．

要する．

Contact Angle [deg]100Contact Angle [deg]80
CopperInitial C. A. = 89° －102°

60

＃ 600
＃ 1000＃ 1500＃ 200040

40[sec]60[sec]120[sec]

Mirror

40
20
0
50

5 10
50 100
Irradiation Time [sec]Contact Angle [deg]＃ 600＃ 1000＃ 1500＃ 2000Mirror

80
60
40

20

10
50 100
Irradiation Time [sec]100

500 1000
Lapsed Time [sec]5000(b) Aluminum
Figure 5: Change in contact angle with lapsed time[9]500(b) Aluminum
Figure 4: Change in contact angle with irradiationtime[9]2.4 超親水から超撥水へ変化するアルミ表面
図 5 で示したように，プラズマ照射面の接触角は比較的短時間で上昇する．伝熱促進へ利用する
立場からは長期間に渡って親水性を維持できる表面が望ましい．まったく，偶然の産物ではあるが，研究室の学生が作成したアルミ改質面を紹介する．

前述のように，プラズマ照射による親水化は永久ではなく，時間が経つと徐々に元の疎水状態に戻る．図 5 は照射を停止してから接触角が時間とともに上昇する様子を示す．図 4 と対応して見るとよい．一見して，銅はバラつきが大きく，また
接触角の戻りも速い．アルミニウムは比較的疎水化が遅く，1 時間経過しても 30°以下である．全般
的にエメリー紙#600 が親水性維持の点で最も優れている．また，照射時間が長いほど接触角の回復が遅い．図には 3600 秒までのデータしか示していないが，初期の接触角まで戻るのには 2～3 日を2007 年 1 月

＃600
＃1000
＃1500
＃2000
MirrorPlasma Irradiation Time40[sec] 60[sec] 120[sec]

20
0
50

5

5000

Aluminium

Initial C.A .= 53.6° － 81.8°

40

500 1000
Lapsed Time [sec]100

Aluminium
60100(a) Copper

500

80

0
1

＃ 600
＃ 1000＃ 1500＃ 2000Mirror(a) Copper

Contact Angle [deg]

60

20
0
1

伝熱

80

Copper Plasma Irradiation Time(a) normal(b) plasma-reformed
Figure 6: SEM picture of aluminum surface- 36 -J. HTSJ, Vol. 46, No. 194

Contact angle [deg]特集：固液界面の濡れ性の機構と制御

150了しているのに対し，照射しない通常面は冷却に34 秒かかっている．

#320
#600
#1000
#1500
#2000

100

Plasma generator

Hot slab

50

0
0

5

Figure 8: Water cooling of hot slab controlled byplasma irradiation

10
15
Lapsed time [week]

350

Temperature [°C]300

この表面は，アルミニウムをエメリー紙で研磨した後，プラズマ照射により研磨粉とアルミ基材とを溶着させて表面に粗さをつけたものである．図
6 にその表面の SEM 写真を通常面とともに示す．
プラズマ改質面は適度な粗さを持っており，これが濡れ性を強調する．図 7 に接触角の時間変化を示すが，この表面は約 15 週間で超親水から超撥水へと変化するのである．初期状態では超親水性を示すが，非常に低い接触角の期間が長時間続く．
図 5 の横軸が秒であるのに対して，図 7 のそれは週である．疎水化に向かう途中で，プラズマを照射すれば瞬時に超親水性に戻る．現象としては非常に面白いが，このように変化する原因や応用先の開拓などは未解決のままである．

250
200

Normal surface

150
100
50
0

Plasma-irradiated surface

10

20
30
Time [sec]40

50

Figure 9: Immersion cooling curve

3.プラズマ照射を利用した相変化伝熱促進
3.1 浸漬冷却
プラズマ照射により親水化した表面は時間の経過とともに元の疎水状態に回復するため，その利用方法は限定される．図 8 は鉄鋼の冷却プロセスの前段に用いるというアイデアである．高温鋼板
が水冷ゾーンに入る前に，プラズマ照射により表面の濡れ性をコントロールして冷却速度を制御しようというものである．
この効果を確認するために，銅サンプルを用いて浸漬冷却実験を行った．図 9 が実験により得られた冷却曲線である．電気炉でサンプルを加熱し，プラズマを照射してから浸漬冷却を行ったところ，照射しない場合よりも速く冷却が完了した．図ではプラズマ照射したサンプルが 25 秒で冷却が完2007 年 1 月

Normal surface (First run)
Normal surface (Second run)
Plasma-irradiated surface (First run)
Plasma-irradiated surface (Second run)
Irradiation time: 120s
Water temp.: 100°C

CopperFigure 7: Change in contact angle ofplasma-reformed aluminum surface

伝熱

Water cooling zone

- 37 -

3.2 液滴の蒸発
固体面上での液滴の蒸発現象には表面の濡れ性が大きく影響する．一般に，濡れやすい表面の場
合は液滴が薄く広がり，伝熱面と液滴の接触面積が増大するので，短時間で蒸発を完了する．逆に，
撥水性表面の場合は液滴が球状になるために接触面積が小さくなり，蒸発に要する時間が長くなる．
固体面上での液滴の蒸発においては，濡れ性の他に，伝熱面の比熱，熱伝導率，密度などの熱物性も影響パラメータとなる．旧来，濡れ性を変化させる場合は，表面に何らかのコーティングを行う
ことが多く，このコーティング層の熱物性変化の影響を排除して，濡れ性のみの効果を抽出した実験を行うことが困難であったが，酸化チタンの光
励起超親水現象や本稿で紹介しているプラズマ照射により，濡れ性のみを変化させることが可能となった．液滴蒸発現象における濡れ性の効果を系
統的に実験できる環境が整ったということができる．

J. HTSJ, Vol. 46, No. 194

特集：固液界面の濡れ性の機構と制御
図 10 は 0～170°の接触角のアルミ表面上における液滴の蒸発曲線である．液滴の直径は 1.64mmである．接触角 0～90°はアルミ表面にプラズマ照射をすることで接触角を変化させている．110～
170°は超撥水コーティングを施した表面にプラズ
マ照射を行って接触角を変化させている．したがって，純粋に接触角のみを変化させているのは 0～90°のデータであることに注意が必要である．
図 10 から分かるように，120°C 以下の低温領域
では，接触角が小さくなるとともに，蒸発時間が短くなっており，濡れ性の向上による伝熱促進効
果が確認できる．ライデンフロスト点よりも高温領域においても接触角ゼロの面の蒸発時間が一番短い．

図 11 は濡れ限界温度に及ぼす接触角の影響を示したものである．材質はアルミニウムと銅である．いずれの場合も接触角 130°では濡れ限界温度は約 115°C であるが，接触角 0°では 160～170°Cまで上昇している．接触角 110°と 130°の面には超撥水コーティングが施してあるので，本来比較すべきは接触角 0～90°のデータである．この範囲のデータを見てもやはり接触角の減少とともに濡れ限界温度が上昇していることが分かる．
4.おわりにプラズマ照射による濡れ性の制御は非常に手軽であり，照射開始から瞬時に親水化できるのは魅力的である．しかしながら，本稿でたびたび述べているように，その効果は永久的ではなく，伝熱促進への応用は限定的であると言わざるを得ない．
しかしながら，濡れ性のみを変化させられることから，濡れ限界温度，ライデンフロスト温度などの基礎的なデータを測定する上では強力なツールである．
最後に，本研究を遂行するにあたり，熱流体物
理研究室の日高澄具氏に多大なるご協力をいただ
いた．ここに記して感謝の意を表する．

Evaporation Time [s]400
Aluminum surface
D=1.64 mm
θ = 0°
θ = 11°
θ = 30°θ = 58°
θ = 90 °θ = 110°
θ = 130 °θ = 170°

300
200
100
0

100
200
Surface Temperature [°C]

参考文献
[1] Y. Takata, Surface Wettability Effects in Heat andFluid Flow, Proceedings of the 4th International
Conference on Nanochannels, Microchannels and
Minichannels, Paper No. ICNMM2006-96031(Keynote) , 2006
[2] 賞雅寛而，放射線誘起表面活性による濡れ性の 機 構 と そ の 制 御 ， 伝 熱 ， Vol.46, No.194,
pp.28-33, (2007)[3] 水町浩，鳥羽山満 監修，表面処理技術ハンド
ブック－接着・塗装から電子材料まで，エヌ・ティー・エス，(2000)[4] 石井淑夫，小石眞純，角田光雄 監修，ぬれ技
術ハンドブック－基礎・測定評価・データ，テ
クノシステム，(2001)[5] 山本俊昭，吉崎淳人，黒木智之，大久保雅章，
非平衡プラズマプロセスによる乾式アルミ表
面処理，静電気学会誌，Vol. 28, No.1, pp.53-58,(2004)[6] 山本俊昭，大久保雅章，今井範和，松本喜行，

300

Wetting Lim it Tem perature [°C]

Figure 10: Evaporation curve for various contact
angles[10]170
Alu m in um su rface
D=1.64 m m
D=2.16 m m
D=2.9 3 m m

160
150
140
130
120
110
0

cop per surface
D=1.6 4 m m
D=2.16 m m
D=2.9 3 m m

50
100
Con tact An gle [deg]Figure 11: Wettability effect in wetting limit
temperature[10]伝熱2007 年 1 月- 38 -J. HTSJ, Vol. 46, No. 194

特集：固液界面の濡れ性の機構と制御

Fibers, Plasma Chemistry and Plasma Processing,Vol.26, pp.119-126, (2006)

森泰直，非熱プラズマ処理によるガラス表面の親水・撥水性能の向上，静電気学会誌，Vol.25,
No.2, pp.105-106, (2001)[7] T. Yamamoto, M. Okubo, N. Imai and Y. Mori,
Improvement on Hydrophilic and Hydrophobic
Properties of Glass Surface Treated by Nonthermal
Plasma Induced by Silent Corona Discharge,
Plasma Chemistry and Plasma Processing, Vol.24,
No.1, pp.1-12, (2004)[8] Y. C. Liu and D. N. Lu, Surface Energy andWettability of Plasma-treated Polyacrylonitrile伝熱2007 年 1 月[9] 日高澄具，高田保之，山本弘志，山下秋満，
伊藤猛宏，プラズマ照射した金属表面の濡れ性
変化と液滴蒸発，日本機械学会論文集(B)，第69 巻，678 号，pp.437-444, (2003)[10] 日高澄具，山下秋満，高田保之，濡れ限界温度に及ぼす接触角の影響，日本機械学会論文集(B), 第 71 巻, 709 号, pp. 2309-2315, (2005)- 39 -J. HTSJ, Vol. 46, No. 194

特集：固液界面の濡れ性の機構と制御

フラクタル構造による濡れの制御
Wetting Control with Fractal Structures

辻井 薫（北海道大学）
Kaoru TSUJII (Hokkaido University)e-mail: tsujik@es.hokudai.ac.jp
1. はじめに本号の特集「固液界面の濡れ性の機構と制御」
では，濡れの原理や各種の制御方法ついて解説される．本稿では，制御方法の一つとして，微細なフラクタル構造が原因となる，超撥水／超（高）撥油表面について述べよう．フラクタルとは言うまでもなく， B. B. Mandelbrot が提唱した幾何学の概念である[1]．フラクタル幾何学には，非整数次元と自己相似という二つの特徴がある．非整数次元とは，１次元，２次元，３次元以外に，その間の中途半端な次元を持つという意味であり，複雑な構造ほど高い次元を有することになる．一方自己相似とは，ある構造の一部がもとの全体構造をそっくり含むという入れ子構造のことである．
例えば，大きな凹凸構造の中に小さな凹凸構造があり，更にその小さな凹凸構造の中にもっと小さな凹凸構造がありL，といった構造である．この様なフラクタル概念は，いち早く表面科学，コロ
イド科学に取り入れられ，応用されてきた[2,3]．
初期におけるその応用は，一種の分類学としての応用であり，構造の複雑さを表現する物指しにフラクタル次元が使用されてきた．例えば，コロイ
ド粒子の凝集構造や多孔質材料の構造の複雑さを，フラクタル次元を用いて定量化するといった使い方である．
自己相似の入れ子構造は，それが表面であれば，大変大きな表面積を与えるという結果をもたらす．
事実，表面が２次元と３次元の中間の次元を持つということは，通常の２次元表面の観点からみればその表面積は無限大であるということを意味する．実際の物理世界は数学の世界とは異なり，無限小までフラクタル構造が続くことはない．従って表面積が無限大になることはないが，それでも非常に大きな表面積になるであろうことは容易に理解できる．この大きな表面積を固体表面の濡れに応用して，筆者らは超撥水・超親水表面，更には超（高）撥油表面の実現に成功している[4-12]．
フラクタル概念を，複雑さの分類学としてではな

伝熱2007 年 1 月- 40 -

く，機能性材料開発のツールに利用した結果である．
本稿では，その超撥水／超（高）撥油性発現の原理，その実現，そして実用化への課題について述べる．更に，その膜を実用化に近づけるために最近行った，耐久性に優れた超撥水／高撥油性プ
ラスチック膜の開発についても触れたい．
2. 濡れを支配する二つの因子
濡れは，化学的因子と表面の微細な構造因子の二つに支配されている．先ず，その説明から始め
よう．濡れを定量的に表わす物理量として，接触角が使われる．図１に，液滴が固体表面上にのっている様子を示す．接触角（θ ）とは，固体と液体が接する点における液体表面に対する接線がな
す角で，液体を含む方の角度で定義する．この接触角は，固体と液体の表面張力および固／液の界
面張力の釣り合いによって決まる．よく知られて

γL
気体

γS

θ

γ SL

液体
固体

図１：固体表面上の液滴の濡れは接触角 θ で表わされるいる様に，この釣り合いを表わす式として，次のYoung の式が成り立つ．
γS ＝ γSL + γLcosθ 又は cosθ = (γS - γSL)/γL (1)
ここで，γS, γL, γSL は各々固体，液体の表面張力および固／液の界面張力である．テフロンの様なフッ素系材料は表面張力が小さく，水との界面張力は大きい．それ故によく水をはじき，撥水性材料によくフッ素材料が使われる．以上の説明は，平らな表面の濡れであり，濡れの二つの因子のうちJ. HTSJ, Vol. 46, No. 194

特集：固液界面の濡れ性の機構と制御の化学的因子に関するものである．この因子を支配するのは物質そのものであり，固体を構成する物質と，その表面を濡らす液体の組み合わせによって決まる．
蓮や里芋は決してフッ素材料を利用している訳ではないが，その葉の上ではほぼ完全に水をはじく．その原理は，表面の微細な凹凸構造にある．
上述の化学的因子は平らな表面上の接触角を決めるが，表面の微細な凹凸構造は実表面積を増大させ，その接触角を強調する．表面張力とは，単位表面積あたりの過剰表面自由エネルギーのことであるから，もし微細な凹凸構造によって表面積がr 倍大きくなったとすると，(1) 式中の固体の表面
張力と固／液の界面張力に r を乗じる必要がある．

cosθf = r(γS - γSL)/γL = rcosθ
(2)
ここで，θf は粗い表面上での接触角である．r は常に１より大きな正の数であるから，cosθ が正(θ <90°) か負 (θ > 90°) かによって，cosθf はより大きな正又は負の値となる．つまり表面が粗くなることによって，濡れる表面はより濡れる様になり，はじく表面はよりはじく様になるのである．従って，本稿で言う「濡れの制御」とは，極端に濡らしたり，極端にはじかせたりする意味であることをお断りしておきたい．

cosθf

実表面積を増大させて，濡れの傾向を強調するという観点からみれば，フラクタル表面は一つの理想的な表面である．フラクタル構造では，先に述べた様に，凹凸構造が入れ子になっており，大変大きな表面積を与えるからである．もし表面をフラクタル構造にすることが出来れば，極端に濡れたりはじいたりする性質が期待できるであろう．
この様な発想を基に，我々は先ずフラクタル表面の濡れを理論的に解析し，次いでその理論によって得られた結果を実験的に実証した[4-12]．
表面の凹凸構造がフラクタルである場合には，(2)式の表面積増倍係数 r は(L/l)D-2 と書くことができる．従ってフラクタル表面上での接触角は(3)式で表される[6,7]．
cosθf = (L/l)D-2 cosθ(3)
ここで L と l はフラクタル（自己相似）構造が成り立つ最大および最小の大きさで，D はフラクタ
ル次元である．(3)式から，自己相似性の成り立つ

2007 年 1 月⎛ L⎞cosθ f = ⎜ ⎟⎝ l⎠

1

3. フラクタル表面の濡れと超撥水／超撥油表面の実現
3.1 フラクタル表面の濡れ伝熱範囲が広い（L が大きく，l が小さい）程，またフラクタル次元が大きい程，濡れに対する効果が大
きいことが理解できる．さて(3)式は近似式であり，式の導出の際に，固／液界面では固体表面と液体は完全に接触していると仮定している．しかし，
例えば疎水性表面上での水の接触の場合には，毛管現象によって微細な凹みの奥にまで水は侵入することができず，空気が吸（付）着して残る．また親水性表面では，固体表面上の窪みに水の吸（付）着が起こる（毛管凝縮）．これらの効果を考慮した理論が必要である．これまで固／液界面として扱っていた部分は，本当はそれ以外に気体および液体の表面を複雑に含むことになる．それら総ての表面および界面の自由エネルギーの和，つまり全界面張力が最小になる様に，空気や水の付着が起こるであろう．この様な考察から，図２の結果が導かれる[6]．この図から，ある程度撥水性や親水性を示す物質であれば，表面をフラクタル構造にすることによって，接触角が殆ど 180°や 0°の超撥水表面や超親水表面を作製することが可能であることが解る．

- 41 -

D−2

cosθ

0

-1

-1

0

1

cosθ

図２： 理論的に予測されたフラクタル表
面上での濡れ3.2 アルキルケテンダイマー（AKD）の超撥水表面
フラクタル構造を利用すれば，フッ素材料を使わなくても超撥水表面の出来る可能性のあることが理論的に示された．そこで我々は実験的にそれを実現することに着手した．製紙用中性サイズ剤の原料は，アルキルケテンダイマー（AKD：構造
式は図３）と呼ばれる一種のワックスである．このワックスを融液から結晶化させて SEM 観察す

J. HTSJ, Vol. 46, No. 194

特集：固液界面の濡れ性の機構と制御式におけるパラメータが，L = 34 μm, l = 0.2 μm，
D = 2.29 であることが分った．因みに，Ｌは図４の SEM 像の紫陽花の花状の大きな凹凸構造に，
ｌは板状結晶の厚さにほぼ対応している．これらの数値を使って cosθ 対 cosθf の勾配(L /l )D-2 を計算すると 4.43 となる．図６に，cosθf 対 cosθのプ
ロットと，理論的勾配 4.43 を描いた．両者の勾配は良く一致しており，理論による予測が実験的に証明された[6,7]．

ると，大きな凹凸の中に更に小さな凹凸の形状が見え，構造がフラクタル的であることが分かっていた（図４）．図４の写真から，大きな 30 - 40μｍ程度の丸い凹凸の中に小さな板状の凹凸があるという，紫陽花の花の様な入れ子構造が見て取れる．そこで上記の理論の結果を実現するための材料として，この AKD を選択した．AKD の精製，結晶化の条件等を工夫することにより，程無く水
滴がころころと表面を転がる超撥水材料を開発することに成功した．図５（ａ） に示した写真は，
AKD 表面上に接触角 174°で置かれた直径約１mmの水滴である[6,7]．この写真の超撥水性が表面の凹凸構造に由来することは，剃刀で切って平らな面にすると，109°程度の接触角しか示さないことから理解できる（同図ｂ参照）[6,7]．

(a)

RCH C CH R
O

C O

図３： AKD の構造式
（R＝n－C16）

300μm

30μm

(b)

図５： 超撥水性 AKD 表面上の水滴（ａ）と，その表面を平らにした場合の水
滴（ｂ）
。

3μm

図４： 自発的に形成される AKD のフラクタル構造の電子顕微鏡写真

1

cosθ

f

この AKD 表面を使って，上記のフラクタル表
面の濡れの理論の妥当性を実験的に検証してみよう．そのためには，平らな表面とフラクタル表面の両方の接触角を測定して cosθ と cosθf の関係を実験的に求めることと，それとは独立に表面のフラクタル次元（D）および（３）式のＬとｌを測定することが必要である．前者の実験を水とジオ
キサンの混合溶媒を用いて（つまり液体の表面張力を種々変化させて）実行した．AKD 表面のフラクタルパラメータの決定は，図４の断面を種々の倍率で SEM 観察し，ボックスカウンティング法を適用することによって行った．その結果，
（３）

0

-1
-1

(L l)

D−2

= 4.430cosθ

1

図６： フラクタル表面の濡れの理論と実験結果の一致

伝熱2007 年 1 月- 42 -J. HTSJ, Vol. 46, No. 194

特集：固液界面の濡れ性の機構と制御

3.3 超撥油表面の実現
もし平らな表面上での油の接触角が 90°以上の固体表面を作ることが出来たなら，同じ原理を使って超撥油表面の実現も可能であると思われる．
平らな時に油に対する接触角が 90°以上になる
ためには，どの程度の低表面張力の固体表面が必要であろうか？ それを見積もってみよう．接触角が 90°になる条件は，(1)式よりγS ＝ γSL である．
固／液の界面張力γSL は，固体および液体の表面張力を使って近似的に次式で表わせる．
γ SL = γ S + γ L − 2 γ S γ L(4)
上記の条件式γS ＝ γSL に(４)式を代入すると，γS＝ γL／4 という結果が得られる．油の表面張力は20 ~ 30 mN/m であるから，その油の接触角が 90°になる固体の表面張力は 5 ~ 7 mN/m ということになる．この様に低い表面張力は，現在ＣＦ３－
基（~6 mN/m）しか知られていない．もしフラク
タル表面上にＣＦ３－基を隙間無く並べることが出来れば，超撥油表面が実現されるであろう．
その試みが，陽極酸化アルミニウムの表面をフッ化モノアルキルリン酸 (n-CF3(CF2)m-CH2CH2 －OP(=O)(OH)2: m = 7 or 9)で処理することによって行われた[8,9]．表面処理されたアルミニウム上における，菜種油の写真を図７に示す．接触角は150°程度となり，超撥油表面を得ることが出来た．
各種の油（溶剤）に対する接触角を測定した結果，表面張力が 24 ~ 25 mN/m 程度の油まで，120°以上の接触角が得られることが分かった．しかし，
この表面の臨界表面張力はまだ 14 ~ 15 mN/m であり，ＣＦ３－基の値~6 mN/m から距離がある．
また，この陽極酸化アルミニウム表面のフラクタ
ル次元は 2.16 ∼ 2.19 であり，それほど大きくはな
い．もしフラクタル次元をもっと大きくし，ＣＦ３－基をもっと密に並べる工夫が出来れば，より

図７： 超撥油性酸化アルミニウム表面上における菜種油．接触角は 150°

伝熱2007 年 1 月- 43 -

理想的な超撥油表面が実現されることが予想され
る．
4．耐久性超撥水／高撥油表面への挑戦
我々の研究に端を発して，表面の微細凹凸構造
が濡れに大きな効果を発揮することが理解され，その後数多くの超撥水表面に関する研究がなされた．最近では lotus effect（蓮の葉効果）と呼ばれて，世界中で研究が盛んになっている．しかし残念ながら，まだ超撥水表面が実用化された例はな
い．その最大の理由は，超撥水表面の耐久性にある．例えば，先の AKD ワックスの場合には，融点が低い（約６５℃）こと，有機溶媒に溶けること，脆いこと等が原因で，２∼３ヶ月で超撥水性を失ってしまう．他の材料に関しても，それぞれ何らかの耐久性の問題を有しており，それが実用化を阻んでいる．
筆者らは極最近，AKD ワックスの耐久性を向上する目的で，耐熱性と耐溶剤性を有するポリマー（ポリアルキルピロール）を電解酸化重合法で合成し，少なくともこれら２つの項目に関する耐久性を有するフラクタル表面を得ることに成功した[10,11]．ポリアルキルピロール膜の電気化学的合成は，1-n-オクタデシルピロールと p-トルエンス
ルホン酸ナトリウムのアセトニトリル溶液を用いて，種々の反応条件下で行った．最も撥水性の高いポリアルキルピロール膜に対しては，電子顕微鏡（SEM）観察とラマン分光測定を行った．耐熱性・耐溶媒性試験は，膜を高温で長時間エージン
グしたり，有機溶媒や油に浸した後，再び膜の接触角を測定することによって行った．
ポリアルキルピロール表面の電子顕微鏡写真と，表面上の水滴を図８に示す．この膜上の水の接触
角は 154 °であった．またその膜の構造は，突起物が緻密に並ぶ興味深い表面形状を持つことが分かった．更に，膜の断面をボックスカウンティン
グ法で解析したところ，表面のフラクタル次元は2.18 であった．この膜のラマンスペクトルでは，980 cm－1，1340 cm－1，1575 cm－1 にラジカルカチオン，C－N 伸縮，C=C 伸縮による，ポリピロー
ルの骨格で見られるラマンバンドが観測され，この超撥水性膜はポリアルキルピロールであることが確認された．
このポリアルキルピロール膜の，耐熱性と耐溶剤性試験を行った．図９に，耐熱性試験の結果を示す．90℃の高温に２時間放置しても，80 ℃で６時間エージングしても，初期の接触角から変化し

J. HTSJ, Vol. 46, No. 194

特集：固液界面の濡れ性の機構と制御ないことが分かる．また，アセトンやサラダ油な
どの有機溶媒や油に 10 分間浸しても，接触角に変化は見られなかった（図 10 参照）．これらの結果から，ポリアルキルピロール膜は優れた耐久性の
超撥水性を示すことが分かる．しかし，このポリマーの薄膜はまだ機械的に脆く，引っ掻きなどの刺激に弱い．実用化するためには，この弱点の克服が必要である．現在は，その改良の研究を続け
ている．
(c)

(b)

図 10：超撥水性ポリアルキルピロール膜の耐溶剤試験の結果．各種の溶剤や油の処理によっても超撥水性は保たれ
ている

(a)

次に、このポリアルキルピロール膜の表面を，フッ化アルキルシランカップリング剤（
heptadecafluorodecyltri-iso-propylsilane：
HDFDTPS）で撥油処理することによって，撥油性を付与することを試みた[12]．処理の模式図を図11 に示す．HDFDTPS のアセトニトリル溶液を作り，ポリアルキルピロール膜表面に塗布した．その後，室温で一夜乾燥してアセトニトリルを除去した．この様にシランカップリング剤処理された
表面の電子顕微鏡像は，処理前と同様に，突起物が 緻 密 に 並 ん だ 構 造 を 示 し て い た （ 図 11 ）．
HDFDTPS の各種濃度の処理を試みたところ，0.3
mmol/L の時に最も撥水／撥油性能が高かった．この様にして，サラダ油に対する接触角が 136°で，水の接触角が 154° の超撥水／高撥油表面を作製することに成功した．ポリアルキルピロール表面には，シランカップリング剤と共有結合する官能基は存在しない．従って，シランカップリング剤
分子同士が― Si― O― Si―の様な結合で高分子化
し，表面に固定化されたものと考えられる．XPSや FT-IR による分析結果は，この分子間結合の仮説を支持している．
この膜の耐熱性／耐溶剤性試験も，先と同様の方法で行った．今回は，耐熱性を 120℃まで試験

図８： 超撥水性ポリアルキルピロール表面の電子顕微鏡写真（a）とその断面
写真（b），および超撥水性表面上の水滴（接触角は 154°）
（c）

180

120

180
150

接触角（°）

接 触 角 (° )

150

90
60

120
90
60
30
0

0

60

120

180

240

300

360

420

温度保持時間(分)

30
0
0

50

100

温度 (℃ )

図９： 超撥水性ポリアルキルピロール膜の耐熱性．各温度における試験時間＝2 時間； 挿入図における試験温度
＝80℃

伝熱

2007 年 1 月- 44 -J. HTSJ, Vol. 46, No. 194

特集：固液界面の濡れ性の機構と制御

5．終わりに
水も油も完全にはじく表面が出来たら！ その
技術的／社会的インパクトの大きさは計り知れないであろう．それは汚れの付かない表面になるはずであるから，壁／屋根材，自動車／電車／航空機等の車体材料，台所の流し周辺材料などの構造
材から，傘／衣服／テーブルクロスなどの日常品に至るまで，大変幅広い応用が期待される．少なくとも原理的には，微細なフラクタル表面形状によって，その様な表面の作製は可能であることを本稿で示した．これまで超撥水表面の研究は数多くなされているが，超撥油表面の研究は極めて少ない．我々は今後，耐久性に優れた超撥水／超撥
油表面を開発したいと考えている．これらの研究を出来るだけ早く完成し，実用化するのが筆者らの夢である．

したが，膜は安定であった．耐溶剤試験も，先と同様に良好であった．超撥水性／高撥油性ともに，高温処理や溶剤処理によって変化しなかった．

図 11 ： フ ッ 化 ア ル キ ル シ ラ ン カ ッ プ リ ン グ剤（HDFDTPS）によるポリアルキルピロ
ール膜のコーティング（上図）と，その電子顕微鏡写真，およびその上の水滴と油滴（サラダ油）

6．参考文献[1] Mandelbrot, B. B., The Fractal Geometry of
Nature, Freeman, (1982).
[2] Avnir, D., ed., The Fractal Approach to
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[11] Kurogi, K,. Yan, H., Mayama, H. and Tsujii, K, .J.
Colloid Interface Sci. (2007) in press.
[12] Yan, H., Kurogi, K. and Tsujii, K., Colloids
Surfaces A, 292 (2007) 27.

図 12：超撥水／高撥油ポリアルキルピロー
ル膜の耐熱性試験結果．各温度における試験時間＝１時間

伝熱2007 年 1 月- 45 -J. HTSJ, Vol. 46, No. 194

特集：固液界面の濡れ性の機構と制御

表面微細構造による濡れ性の制御
Wettability Control with Surface Micro-Structure

諸貫 信行（首都大学東京）
Nobuyuki MORONUKI ( Tokyo Metropolitan University )e-mail: moronuki-nobuyuki@c.metro-u.ac.jp
1. はじめに半導体プロセスを応用した微細加工技術によってサブミクロンオーダの微細形状を再現性よく製作できるようになり，いわゆる MEMS （ Micro
Electro Mechanical Systems：微小電気機械システム）の開発とセンサへの適用，さらには微小化学分析機器への適用等が行われてきた．一方で，微細構造と表面機能の関連が広く議論されるようになった[1]．
表面機能は身近な自然の中にも見られる．図 1はハスの葉の表面微細構造と水滴を示す．微細な表面構造を持つ表面は強い疎水性を示して水滴が球状になるだけでなく，接触面積を小さくすることで固形汚れの付着力も弱めるため，自浄作用を生むことになる[2]．自然界の表面機能として光学機能もある．例えば蛾の目は無反射機能を構造によって得ており，モルフォ蝶は色素によらず同じく構造によって発色している．このように自然界には表面機能に関する多くの手本がある．
固体表面の粗さと濡れに関する理論については，
古典的な理論[3,4]に新たな修正が加えられつつあり[5,6]，静止した流体だけでなく流体力学的視点からの検討も進みつつある[7]．濡れ性を制御する方法としてコーティングを含めた表面修飾技術[8]に加え，表面微細形状による濡れ性の制御が最近の研究にも見られる [9-11]．さらには電気濡れ[12] やマランゴニ圧 [13] を用いた液滴の動的な制御も検討されている．液滴の流動や付着挙動は伝熱分野との関連も深く[12]，今後の新たな発展が期待されている．
図 2 は，加工方法によって形成される空間波長の違いとその名称，および応用との接点を示している．切削や研削等の古典的加工法で形成される「うねり」や「粗さ」の波長は mm レベルであり，機械的な構造としての機能を果たす一方で，リソグラフィなどを用いた特殊加工ではサブミクロン

伝熱2007 年 1 月- 46 -

程度までの微細周期構造が形成できるため，光学を含めた多様な機能が発現できる．筆者らは，これらの多様な機能と構造の関係に着目し，摩擦，
光学，濡れなどの機能設計と応用を検討している．
本稿では表面微細形状による濡れ性の制御について概説するが，濡れについては浅学の部分があることを予めお断りしておきたい．なお，以降で扱う液滴は一部を除き純水を対象とした．

図1

ハスの葉の表面構造と水滴[2]表 面エ ネ ルギ

形 状･精 度･粗 さhp
加 工方 法代 表寸 法 と特 性m
形状機 械加 工(切 削 ,
研 削)

mm

エネ ルギ
ビーム
(レ ー ザ ,イ オン 他)

図2

う ねり

応用
機械 部 品
（構造）

粗さ
μm

テクスチャ
マイクロ

表 面機 能(摩 擦 ,
光 学 他)

nm ラ フネス

加工技術と表面特性および応用機能の関係
2. 接触角の制御とその応用

2.1 理論Wenzel は，粗さを有する表面の接触角を接触線が移動する際の仕事を最小化する条件から下式のように導いた[3]．

cosθ * = r cosθ
ここでθはヤングの接触角（平滑面上）を示し，rJ. HTSJ, Vol. 46, No. 194

特集：固液界面の濡れ性の機構と制御

高さが増すにつれて前進角は大きく，また，後退角は小さくなった．ピラー高さが 8μm の場合には親水から疎水的な状況に変わった．このような劇的な変化はピラーの間に空気がトラップされた結果と考えられる．図中にはシリンジの先端に形成された液滴の形状も示してあるが，表面の状態で液滴形状が大きく変わることがわかる．

は実表面積と見かけの面積の比で算出される粗さを示す．この式は粗さによって元の表面の性質（親水／疎水）が強まることを示すが，その適用範囲は限られる．
Cassie らは，表面が 2 つの異なる接触角θ1，θ2を持つ部分で構成されるモデルを提案した[4]．

cosθ * = f1 cosθ1 + f2 cosθ2
ここで，θ *は見かけの接触角，f1 は接触角θ1 の領域割合，f2 は接触角θ2 の領域割合で f1＋f2=1 の関係にあり，2 つの部分の平均的な性質が現れることを示している．構造の周期がミクロンオーダで深い（アスペクト比の大きい）構造をつくると底部に空気がトラップされて前式右辺の一項が小さくなるため，接触角が大きく疎水的になることを示す．このモデルも良く参照されるが，すべての場合に適用できるわけではなく，さらに複雑なモデルが提案されてきている[5,6]．
2.2 接触角制御のための実験的アプローチ
微細加工技術を適用した実験的研究も多く行われてきている．図 3 は，化学分析機器で課題となる流動抵抗を低減する試みとして製作された表面構造を示す[14]．同図の左および中央は DRIE と呼ばれるドライエッチングにより製作された微細壁とピラー構造を示す．同図右はいわゆるブラック
シリコンの表面である．サブミクロンの針状構造が密集した構造は光の反射が少なく，黒く見える
ためこのように呼ばれる．このような表面構造に，さらに PTFE を約 20nm の厚さでコーティングす
ることにより，接触角 175 度以上まで大きくし，流動抵抗も低減している．
図 4 は，微細構造寸法と接触角の関係を体系的に示すために筆者らが製作したピラー構造を示す[9]．フォトリソグラフィとドライエッチングにより，シリコン基板上に異なる直径・高さを持つ円柱を製作した．図 5 上部には，製作した基板上に5μl の液滴を形成するときの前進角とその後縮小させた時の後退角を測定した結果を示す．グラフの下部には前進角と後退角の差（ヒステリシス）を示す．ヒステリシスの大きさは，傾いた斜面上を液滴が転落し始めるときの角度（転落角）と関連がある．
自然酸化膜で覆われたシリコン平滑面の接触角は約 30 度で親水的であるが，ピラー高さが 4μmまでの範囲ではピラー間隔が小さいか，あるいは伝熱

2007 年 1 月

図3

DRIE による構造（左，中）とブラック
シリコンの表面構造（右）[14]

2μm

4 μm

m

H : 8μm

P: 8 μ mD: 4 μ m

H: 8 μ

P: 4 μmD: 2 μ m

P: 128 μ m
D: 64 μ m

H: 8 μm

H:8 μm

P: 32 μ m
D: 16 μm

10 μ mHysteresis of contact Contact angle degree
angle degree

図425 μ m

濡れ性制御のためのマイクロピラー構造

150
100

Hysteresis Advancing angle
Receding angle

50

0
150

H [mm]
0.1
4
1
8
D P=2 DH100

図5- 47 -

Si
5000H [mm]
0.1 4
8
1Case of flat surface
20
40
60
Pillar diameter D mm

ピラー寸法によるシリコン表面の接触角
および接触角ヒステリシスの制御

J. HTSJ, Vol. 46, No. 194

特集：固液界面の濡れ性の機構と制御

伝熱2007 年 1 月- 48 -のは液滴の表面張力によるものである．
図 8 には，図 7 左側の三角パターン液滴の三次
元 形 状 を 光 切 断 法 で 測 定 し た 結 果 と ， Surface
Evolver[15]を用いて三次元形状を予測した結果を重ねて示してある．無視し得ない誤差も含まれるが，ほぼその形状を推定可能であることがわかる．
2.0
1.6
1.4

b

W

a

H=1.0 μ m1.2
1.0

H=4.0 μ m

0.8
0

10

図6

P

H

1.8
寸法 比 b / a

同図下を見ると，ピラー高さが 4μm より低い場
合に直径の減少とともにヒステリシスが大きくな
り，液滴が斜面上を落ちにくくなるのに対し，高さが 8μm の場合は直径の減少とともにヒステリ
シスが小さくなり，表面上を動きやすくなっていることが示唆される．空気のトラップは液滴の流動性とも強い関係を持つことがわかる．なお，転落角の制御については後述する．
図 5 と同一寸法の構造に PTFE をスパッタ付着させたものも製作し，接触角を評価したところ，全体が疎水的な性質に寄るものの，ピラー寸法の影響としては同様の傾向が得られた[9]．すなわち，
低いピラーによって疎水的な表面を親水的にもできることがわかった．まだ十分な精査はできていないものの，このような資料は接触角設計のための指針になると考えられる．
2.3 接触角制御の応用
液滴の形状は表面の接触角によって大きく変化
し，所望の三次元形状を得られるようになると，マイクロレンズその他の様々な応用が期待できる．
図 6 は縞状の微細凹凸を設けた基板上での液滴の歪みを測定した結果を示す．横軸は溝のピッチを示し，縦軸は液滴の縦横比を示す．ピッチを細かくするにつれて液滴が細長く歪み，寸法比が大きくなり，この場合はその比が 2 程度まで大きくなった．この結果では溝深さ H を変えた結果も示してあり，H が 1μm より小さい範囲では溝が深いほど寸法比が大きくなる傾向が見られるものの，深さ H が 4μm の場合には逆に寸法比が小さくなった．これは図 5 と類似の状況と考えられ，溝内部に空気がトラップされた結果，状況が大きく異なったと考えられる．
図 7 には，微細凹凸形状を縞状から多角形状の閉じたものに変え，この上に液滴を落とした結果を示す．同図上部には高倍率の観察画像を示し，
ピッチ 5μm の縞模様が三角形および四角形を描いている様子がわかる．明るい部分が凸部を，暗く見える部分がエッチングで加工された凹部をそれぞれ示し，溝の深さは 0.8μm である．同図下部には液滴を滴下した後に形状を観察した結果を示す．溝と直角方向には濡れ広がることが容易でな
く，溝と平行には容易に濡れ広がる．このような濡れの異方性によって液滴形状がそれぞれ三角，
四角になっていることがわかる．角部が丸くなる

H=0.1 μ m
20
ピッ チ P μ m

30

ラインアンドスペース・パターン仕様が液滴の縦横比に及ぼす影響
5μm

60 o
5μm

500μm

図7

500μm

三角および四角パターン上での液滴形状
x 10 zLight source
CCD
camera8

slit
4

dropletstage
Experiment
Simulation

1yy
0.14mm
z

8

1

y
z

4
y

10

z

y

図8

液滴の三次元形状評価結果

J. HTSJ, Vol. 46, No. 194

特集：固液界面の濡れ性の機構と制御

0.17mm，高さ 50μm）が設けてある斜面を滑り落
ちる液滴（体積 90μl）を上方から撮った写真である．転落角は平滑面に比べ大きくなる一方で，液滴は転落の後方に大きく濡れ広がって（残って）いることがわかる（幅約７mm）．同一体積の液滴でも表面積を大きくできるということは，基板での反応性や伝熱効率などを高めるだけでなく，液滴の乾燥速度を速めるなどの効果が期待される．

なお，ここでは観察を容易にするために純水ではなく紫外線硬化樹脂を用いた．時間とともに形状が変化することはないため，屈折率などの条件が許せばレンズなどへの適用も可能と考えられる．

伝熱2007 年 1 月

αc

deg.

90

wi

80
70

(wi,wo)=(600,250)μm
Experiment Analysis
Nbr=5
Nbr=5
Nbr=6
Nbr=6

wo

SiO2 PTFE

60
50

Sliding angle

3. 転落角・濡れ広がりの制御とその応用
3.1 転落角の制御
固体壁上での液滴の付着や移動を考えた場合，
静止した液滴の接触角よりも転落角，すなわち液滴が斜面を滑り落ち始めるときの角度の方が重要と考えられる．図 9 は液滴の体積と転落角の関係を示しており，体積が小さくなると転落角は大きくなる傾向があることを示す．図中のパラメータは濡れ性パターンの影響を示す．ここでの濡れ性パターンはピラー等の微細構造等ではなく，親水部と疎水部を縞状に配置したものである．親水部
は酸化膜付きシリコン基板そのものであり，疎水部は PTFE（四フッ化エチレン）をスパッタ付着
してパターンを形成した．図を見ると，親水部幅が大きい場合は，疎水部幅が広い場合よりも転落角が小さくなり，表面微細形状の仕様で転落角を調整できることがわかる．
液滴は縞状（ライン・アンド・スペース）の親
水部複数をまたぐ形で落ち着くため，図 10 に示すような複雑な形状をなす．図 9 中の Nbr は，またいだ親水部の縞数を示し，この場合は 5 あるいは6 となった．この数を事前に予測することは難し
く，決定論的な議論は難しい．また，疎水部をまたぐのに付加的なエネルギが必要となるため，パターンに沿った転落角とパターンを横切る転落角は異なる．パターンに沿った転落であれば親水部
および疎水部各部での転落に必要な力を積算することで推定を行うことができ，図 9 中にはその結果も示してある．一部では誤差が含まれるものの，実験結果とよく一致することがわかる．
図 10 は，濡れ性パターン上を滑り落ちる液滴（紫外線硬化樹脂）の観察写真を示す．親水部では液滴が基板上に濡れ広がろうとするのに対し，疎水部では液滴が縮まろうとする結果，図のような親水パターンに沿った複雑なひだ形状ができる．
ひだ部の局所的な接触角は測定が困難なほど小さ
く，また液滴全体あるいは疎水部の接触角と大きく異なることがわかる．
図 11 は，ピラー状構造（直径 0.1mm，ピッチ

40(wi,wo)=(350,500)μm
Experiment Analysis
Nbr=5
Nbr=5
Nbr=6
Nbr=6

30
20
10
0

0

20

40
60
Droplet volume V

μl

80

100

図 9 液滴体積と転落角の関係に及ぼす濡れ性パターン（親水部／疎水部の縞）の影響

100μm

hydrophilichydrophobic

図 10 縞状濡れ性パターン上での液滴形状

濡 れ広 がり液滴

転 落方 向図 11 ピラー構造で転落時に広がった液滴（ピラー直径 0.1mm，ピッチ 0.17mm，高さ 50μm）- 49 -J. HTSJ, Vol. 46, No. 194

特集：固液界面の濡れ性の機構と制御

3.2 濡れ広がり制御の応用
図 12 は微細溝を設けた基板を水に浸けた場合の濡れ広がり挙動を示す．基板には幅 2μm，深さ120nm の溝がピッチ 4μm で並んでいる．毛管現象
により溝部を濡れ広がって上昇し，この場合は引上げ高さ L が 15μm 程度となった．液滴を選択的に濡れ広がらせることができると，これを利用して微粒子の選択的な配置を行うことができる．
図 13 はその概念図を示す．微粒子を分散させた
水溶性懸濁液に基板を浸けてから引上げる際，親水部（溝でも同様）には懸濁液が濡れ広がり，溶媒の蒸発に伴って微粒子間に液架橋力が作用し，お互いを引き付け合いながら乾燥することによって自律的に最密構造を形成する[16]．図は概念図を示したものであり，実際には懸濁液から連続的に引上げる場合が多く，逐次場所を変えながら整列が進むため大面積の構造を作ることもできる．
移流集積法として知られるこの方法に選択的な濡れ広がりを適用することで，所望の場所に微粒子を整列させ，この構造によってフォトニック結晶や種々の機能を発現させることが期待される．
図 14 は微細溝による自己整列結果の例を示す．
同図左は，幅 8μm 深さ 120nm の溝底部に直径 1μmのポリスチレン微粒子が最密構造をとりながら自己整列している様子を示す．同図右は溝幅を 1μmまで小さくした場合の結果を示す．微粒子直径と溝幅が同一であるものの溝深さが 120nm しかな
いため，微粒子がジグザグ状に並んでいる．
図 14 のような例は，外的な制御を加えることな
く自己組織的に製作された微細周期構造であるが，欠陥の無い整列が行われる領域は通常限定され，その大面積化が検討されている．これが実現できれば大面積と微細の両方を兼ね備えた構造の形成も可能である．
4. まとめと今後の展望
浅学・精査不十分を省みず，表面微細構造による濡れ性の制御法と幾つかの事例について解説した．要点をまとめると以下のようになる．
・ 表面微細構造によって接触角が制御でき，
さらに方向性を付与することで液滴形状の制御等が行える・ 表面微細構造によって転落角や濡れ広がりを制御することができ，微粒子の選択的配伝熱2007 年 1 月

置等に適用することができる
今後の展望として，微細な周期構造を如何に安価に製作するかという課題がある．微細なパターンの製作にはリソグラフィのような特殊プロセスを必要とするため，成果が実験室レベルに留まりがちであることは否めない．しかし，転写の原理に基づくトップダウン的なプロセスから，本稿でも紹介したような自己組織的ボトムアッププロセ
スに転じることでこの問題を解決できる可能性がある．例えば，フェリチンという鉄を含むたんぱ
くを自己組織的に整列（結晶化）させた後にたんぱく質を分解して鉄のナノドットを形成し，さらにデバイスに展開するバイオ技術との融合が進んでいる[17]．このように学際的な研究開発が今後，さらに重要になると考えられる．
2μm width
Local spreadingL

10μm

図 12 毛管現象による微細溝への濡れ広がり（写真に一部加筆を行っている）

図 13 濡れ性パターンによる選択的濡れ広がりを利用した微粒子の自己整列

溝 幅 2μm
0.12 μ m

5μm

2μ m

図 14 微細溝による濡れ広がり制御を利用した微粒子の選択的自己整列結果- 50 -J. HTSJ, Vol. 46, No. 194

特集：固液界面の濡れ性の機構と制御

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or escape from contamination in biologicalsurfaces, Planta, 202 (1997) 1.
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Surfaces: Application to Superhydrophobicity,
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[17] http://www.jst.go.jp/kisoken/crest/report/heisei17/pdf/a14/f03/s010.pdf- 51 -J. HTSJ, Vol. 46, No. 194

特別寄稿
甲藤好郎先生ご遺稿「沸騰の科学（９）」Science of Boiling (9)甲藤 好郎（東京大学名誉教授）
Late Yoshiro KATTO (Professor Emeritus of The University of Tokyo)の方は常に気温より低い温度を示します．
そしてこのように見て来ると，液体が蒸発するのは，外から何等かの方法で液体に熱やエネルギーが与えられる場合だけに限られるように見えます．しかしここに一つ，外からエネルギーを与えることなしに蒸発や沸騰をさせる方法があるのです．そしてその基礎になるのは，液体と蒸気が同じ圧力，温度で平衡する飽和状態では，圧力に応じて飽和温度がひとりでにきまるという性質（２章「発泡の開始」の項参照）です．
①「加熱なしの蒸発」
いま，水について圧力と飽和温度の対応する様子を，圧力が 350 ミリバールから 50 ミリバールの間で見てみますと次のようになります．

９．奇妙な沸騰アラカルト
加熱なしの蒸発や沸騰の不思議
前章まで，私たちは一般に加熱面のある（もっと広く言えば外部からの加熱のある）沸騰現象を見て来ました．この沸騰は気体と液体の二相がからみ，なかなか複雑な現象ですが，これまでの説
明でその大切なポイントは一応わかって頂けたと思います．そこで本章では少し気楽になって，加熱がまるで無いとか，あるいは有ってもほとんど無いに等しいような状態で起こるなど，一見，奇妙な形の沸騰の話を２，３追加して，全体の結びにしたいと思います．
さて液体が蒸発して気体になる時，蒸発熱の必要なことはすでに１章で話しました．そしてこの蒸発熱は普通，加熱面などを通して液体を外部から加熱する形で液体に与えられており，前章まで述べて来た沸騰でもずっとそうでした．なお読者の皆さんの中には，電子レンジの中でものを加熱する時，加熱面が無いのに温度が上がるのは何故かと疑問を抱く人がいるかも知れません．しかしこの時はレンジ内に置かれた食物にマイクロ波をあて，食物内の分子と分子をこすり合せることによって内部から加熱をしているのであって，加熱に必要なエネルギーがやはり食物の外から与えられているのです．また曇りの日であっても，濡れた洗濯ものが自然に乾くのは，実は洗濯ものの温度が周囲の気温より少し低くなり，周囲からの伝熱で蒸発熱を貰っているのであって，その状況は，湿度を計るのに使う乾湿球温度計の温度の様子を見ればすぐ分ることです．つまり二本ついている
温度計のうち，球部の乾いた温度計（乾球温度計）の方は周囲の気温を示しているのに対し，水に濡れたガーゼに球部を包まれた温度計（湿球温度計）

伝熱2007 年 1 月

飽和圧力（mbar）350 300 250 200 150 50
飽和温度（℃）72.7 69.1 65.0 60.1 54.0 32.9
そして，いま大気圧（1013 ミリバール）のもとに
仮に温度 70℃の水があって，この水を圧力 200 ミ
リバールの低圧容器内にノズルを通して連続的に流し込んでいるとします．この時，容器内に流入した水に接するまわりの圧力は 200 ミリバールですから，水はその圧力における飽和温度 60.1℃（前の表参照）で平衡することになります．従って，
水は最初の温度 70℃の状態から 60.1℃の状態に移り，そのぶんだけ余分のエネルギーを放出，それは水自身の蒸発に使われる結果，水の一部がひとりでに蒸気になります．これを普通「フラッシュ
蒸発」または自己蒸発と言いますが，ここでフラッシュ蒸発と言うのは，写真のフラッシュ（閃光）と同じような感じで瞬間的な蒸発という意味です．
言うまでもなく，水自身が内部に持つエネルギー（俗に言う熱）を使って蒸発しているのです．

- 52 -J. HTSJ, Vol. 46, No. 194

特別寄稿

本項の以上の説明では，流体の圧力変化後，その流体の飽和温度は変化後の流体圧力に対応して自然にきまるものとして来ました．しかし技術上の問題いかんによっては，圧力の降下速度がきわめて大きい場合があり得ます．そしてこのような場合には，その急激な変化期間中，液体内できわめて大きい場合があり得ます．そしてこのような場合には，その急激な変化期間中，液体内で圧力や温度が均一の値を取り得ず，圧力振動などを起こす他，圧力降下中の液体内にフラッシュ蒸発が生じれば発生蒸気のため流体はかなりの圧縮性を持つことになったりします．
また液体のまわりを完全に断熱した上で減圧して行く場合を考えると，その最終圧力は②の項目に記した液体の初期温度 T1 に対応する飽和圧力
P1S にほぼ落ち着く筈ですが，しかしもし非常に急激に減圧した直後には，系の圧力が一時的に前記の圧力 P1S より低下（圧力アンダーシュートと言います）してしまうことがあるでしょう．

このフラッシュ蒸発は，今から少し以前，海水から塩をとるとか，真水を作るなどに利用されたものです．つまり「多段フラッシュ蒸発法」と言って，いくつかの段に分けて圧力を順次下げて行くようにし，各段で発生する水蒸気（前の表に見るように圧力の高い段ほど蒸気温度が高い）を順
次利用して海水を次第に加熱（海水を通す管の外面に蒸気を凝縮させ，その凝縮熱で海水を加熱）して行くのです．そして十分に温度の高くなった
海水を，最後に燃料で所定の温度（現在の例では
70℃）まで加熱，この海水を最初の段に流し込むようにするので，燃料の使用量が少なくてすみ，
非常に経済的です．
②「加熱なしの沸騰」
次は沸騰の話に移りましょう．いま圧力 P1，温度 T1 の液体を貯蔵するタンクがある時，タンク内の圧力を P2 に急に低下させたとしましょう．この際，圧力が P2（これに対応する飽和温度は T2S とします）に降下した瞬間，タンク内の液体の温度
はもとの温度 T1 のままですから，もしそれが現在の飽和温度 T2S より高い場合は，タンク内の液体全体が過熱度 T1-T2S の過熱液体になるわけです．
従って，もし液体の中に微細なゴミなどがあれば，その気泡核を中心に発泡する形で液体が起こり得るでしょうし，また液体に触れているタンク
内壁面上の凹み内の気泡核からの沸騰も起こり得ます．この両者のうち，どちらの沸騰が生じるか，
あるいは先行するかは気泡核の条件次第ですが，いずれにせよ，現在は壁面が外部から加熱するのでなく，タンク内の液体全体が過熱状態になるのですから，普通の沸騰とは多少様子の違う沸騰になる筈です．
なおタンク内に，もし前述のような気泡核が少ないときは，突沸的な沸騰（２章「少し変わった状態の核沸騰」の項参照）を生じることも考えられますし，また仮に減圧後の圧力 P2 にある液体において，その過熱限界（その値は少なくとも圧力
P2 によって変わるでしょう）を越えた過熱液体の状態が出現するようなことがある時は，６章（「接触面温度および液体の過熱限界温度」の項参照）
で話をした自発核生成（液体中の高エネルギー分子の作用で液中に自然に気泡核が出来る現象）に基づく沸騰が生じる可能性もあり得ます．
③「非常に急激な減圧の場合」

伝熱2007 年 1 月

火山の爆発的噴火
火山の噴火は非常に複雑な現象ですから，問外漢があまり軽率なことも言えませんが，大まかに言って３種類に分けられているようです．すなわ
ち第１は，地下のマグマが関係して生じる「マグマ噴火」，第２は，地下水が加熱されて水蒸気となり，表層を吹き飛ばす「水蒸気爆発」，そして第３は，1 章の終わりにちょっと触れた「マグマ水蒸
気爆発」です．しかし，なんと言っても主流は最初にあげたマグマ噴火のようで，以下の話もそれを中心に考えて行きましょう．
①「噴火の様相」
マグマは地下の深いところで岩石のある部分が，何等かの原因で熱せられて融けて出来た流動体で，無水珪酸（SiO2）を多く含んでいます．そしてその成分組成の違いによって，粘りけの少ないもの
から多いものまであり，その順に言って玄武岩質
マグマ，安山岩質マグマ，デーサイト質マグマ，
流紋岩質マグマ（これらが地表に出て固まれば，それぞれ玄武岩，安山岩，デーサイト（石英安山
岩），流紋岩になるものです）などと分類されています．なおマグマが地表に吹出した時の温度は，マグマの種類によって多少差があり，玄武岩質マ
グマが高く，安山岩質マグマ，デーサイト質マグ- 53 -J. HTSJ, Vol. 46, No. 194

特別寄稿

マ，流紋岩質マグマの順に減って行くようですが，この全体を通してほぼ 1200℃から 800℃にわたっています．
一方，噴火の形態は多様かつ複雑ですが，爆発的噴火に関し，大まかにはマグマの種類によって
次のような違いが出るようです．すなわち，流動性に富んだ玄武岩質マグマが比較的小さな爆発噴
火を繰り返すストロンボリ式噴火（三原山など），
次いで安山岩質マグマが引き起こすところの，少し激しいヴルカノ式噴火（浅間山，桜島など），それか粘りけの多いデーサイト質マグマや流紋岩質マグマが引き起こすところの，激しいプリニ式噴火（ポンペイで有名なベスビオ火山など），および
もっと激しいプレ式噴火（西インド諸島のマルチ
ニック島のプレ火山など）などがあります．
さてここで重要な問題は，こうした爆発的噴火を引き起こす原動力が一体どこから来るかです．
普通の火山の解説書や科学便覧などには，次のよ
うなことが書かれています．すなわち，マグマが地表近くに上がるにつれて，圧力の低下や結晶作用の進行などから水分（またその他の揮発成分）が分離し，水は高温のため水蒸気となり，その急激な体積膨張による力が，上から押さえつける力に打ち勝つ時に噴火が起こる．また粘りけの多い
マグマのときは，それだけ大きな噴火圧力が必要であって，噴火までに十分なエネルギーを蓄える
時間が必要であると言ったようなことです．
②「噴火を惹き起こすもの」
もちろん，噴火発生の静的な解釈としては，恐らく前述のような枠組みになろうかと思われます．
しかし動的な本当のメカニズムとなると，いろいろのプロセスが多様に組み合わさったものに違いありません．例えば，観察の結果によると，爆発
噴火の前に火口など開口部から赤熱の溶岩が見えることもあり，これはマグマの上に強固な蓋が無い場合でも爆発的噴火が起こり得ることを意味しています．また地下のマグマの圧力は，必ずしも徐々に上昇して来るものでなく，噴火の前に急速な上昇が観測されることもあるようです．
そこで最近は噴火の引き金の一つとして，「沸騰」による急速な蒸気発生も考えられているようで（下鶴大輔著，火山をとらえる，東京大学出版会），これは読者の皆さん方にとって，大変興味ある事柄だろうと思います．しかし噴火を起こす前伝熱2007 年 1 月- 54 -に，マグマその他が地下で起こす物理的プロセスの詳細が現状では必ずしも明確ではありませんし，
また噴火の門外漢が勝手なモデルを考えても有害無益でありましょう．ただそれにしても，火山の中で水の沸騰があると仮定すると，大まかにどんな状況になるか位のことは考えられます．
さて一般に，流体には臨界圧力，臨界温度と言って，それらを越えた圧力，温度では液体と気体の区別が無くなる値が決まっていて，水の場合は，それぞれ 218.3 気圧，および 374℃です．つまり，
少なくとも圧力，温度がそれぞれ，これらの値以下の水でないと沸騰は起こり得ないことになりま
す．前にマグマの温度は 1200℃から 800℃位と述
べましたが，このマグマと同じ温度の水（例えばマグマから分離し，マグマ溜まりに閉じ込められている水など）では沸騰は決して起こらず，そのような水はすでに蒸気の状態にあるのです．
③「沸騰の発生状態」
一方，圧力が 218 気圧以下，温度が 374℃以下の水であれば沸騰が可能になります．そして，このような水が地下にあって，それを外部から加熱する形の沸騰としては，地下の深い所から高温のマグマが上がって来て，この水に接触するような場合が考えられます．この時，マグマが比較的ゆっくり水に接触するなら，多くの場合，初め「膜沸騰」を生じ，やがて接触部近傍のマグマ温度の低下によって「核沸騰」に移り，比較的急速な蒸気発生が始まるでしょう．またもし，水（特にサブクール水）のなかに融けたマグマが貫入する形
なら，６章（「蒸気爆発の起こる状態」の項参照）
でお話した「蒸気爆発」のようなものが生じる可能性がない訳ではなく，この時は突発的な形の沸騰になり，また多分，火山灰を生成するでしょう．
次に，圧力 218 気圧以下，温度 374℃以下の水が地下にあって，それが何らかの原因で急速に減圧されることがあるとすると，これは前項の②「加熱なしの沸騰」の状況，つまり減圧沸騰を起こし得る状態になります．この時，もし圧力，温度が高い所に大きな圧力低下があったりすると，過熱度の大きな過熱水が出現します．従って，このよ
うな時は，６章で述べた「自発核生成」によって水中に自ら多数の発泡点を発生させ，各発泡点周
囲の過熱度の大きな過熱水から，非常に急速な沸騰を起こす可能性があり，この時も突発的な形のJ. HTSJ, Vol. 46, No. 194

特別寄稿

沸騰になります．
ただここで忘れてならぬことが２つあります．
第１に，もしこの沸騰が臨界圧力に近い高圧力で起こる時は，蒸気の体積は水のそれに近いので，
それほど大きな体積膨張の効果は期待出来ません．
第２に，もし発生蒸気が地中に閉じこめられて
218 気圧以上に圧力上昇をきたせば，沸騰は停止
してしまいます．従ってこれらのことを考えると，
もし水の沸騰が引き金の時は，爆発圧力が 218 気圧より相当低い状態の噴火になると思われます．
なおついでながら，地下のマグマ溜まりなどで発生する蒸気やガスが，溶融マグマなどと共に長い火道を通って火口に達し，噴出するような場合，
その火道の流れは随分複雑だとしても，その基本では７章や８章で述べた二相流の流れと関係を持っています．また噴火口外の問題としても，例えば噴火口から流れ出る火砕流（かさいりゅう）も気体，液体，固体の３相が混在する流れです．そしてそんな訳で，沸騰や二相流に関する実験室内の基礎的な研究が，火山の噴火というような巨大な自然現象とかかわりを持ち得るということは大変興味あることではないでしょうか．
潜水艦のプロペラの音
読者の皆さんは，航空機の翼の形が流線形で，そして上側の面が少しふくらんだような独特の断面形になっているのを知っておられるでしょう．
このような形の翼が水平に近い姿勢（普通，前の方が上がるように少し傾け，その傾き角度を「迎え角」と言います）で空気中を進む時，翼の上側に沿って流れる空気の流速は，下側面に沿う空気の流速より速くなるので，翼面に働く空気の圧力は上側面の方が下側面より低くなります．そしてそのため翼を上に持ち上げようとする揚力が生じて，航空機を空中に浮かすことが出来るのです．
①「船舶のプロペラとキャビテーション」
一方，船舶を動かすには，もちろん特殊なものは別として，普通は水中でプロペラを回転させています．そしてこの船舶プロペラは普通，回転軸から放射状に何枚かの翼が付いていて，プロペラの回転に伴い，これらの翼が水中を動く時，前述の航空機の翼と同じような原理で力が生じ，その力によって船を前進させているのです．このプロ
ペラは回転しながら，船と共に前進しますからプ伝熱2007 年 1 月- 55 -

ロペラ翼の先端は水中にらせん形の軌跡を描きます．従ってプロペラの近くの水は少し複雑になるでしょうが，いずれにせよプロペラ翼の背面の水圧が周囲より低くなる現象を伴っているわけです．
そして船の推進力を大きくするため，プロペラの回転数を上げたり，翼の迎え角を大きくしたりす
ると，翼背面における水圧の低下が大きくなります．
さて，いま船の周囲の水の圧力を P1，温度をT1 としましょう．そしてその水がプロペラ翼まで流れて来て翼背面で圧力 P2（これに対応する飽和温度を T2S とします）にまで低下するとしますと，この場所の水の状況は，前項で述べた減圧タンク
内の状況と同じことになります．つまり，この場
所の水は T1>T2S であれば過熱水になって，T1 - T2S
だけの大きさの過熱度を持つわけです．従って，
ここでもやはり加熱なしに沸騰が起こり，そのため翼背面が微小な蒸気泡群に覆われたり，時には翼面上に蒸気による大きな空洞部分が定常的に出来たりすることになります．そしてこの現象を「キャビテーション」と言いますが，ここで蒸気泡群が出来るものは核沸騰（２章参照），蒸気の空洞が定常的に出来るものは膜沸騰（６章参照）にたとえられるかも知れません．
ところで，こうして翼の背面で作られた蒸気（温度は T2S）が水に流されて，再び圧力の高い所に来ると，蒸気は過飽和蒸気（その温度 T2S に対応する飽和圧力 P2 より高い圧力にある蒸気のこと）の状態になります．そして過飽和蒸気は安定に存在出来る状態ではありませんから急につぶれ，
その圧力変動がプロペラ翼に激しい衝撃を与え，翼を腐食させたり，音を発生させたりします（圧力低下域で発生した蒸気泡が，後流の圧力回復域で崩壊するときの現象は複雑で，例えば一度収縮した気泡が再膨張し衝撃波を発生したりします）．
話がやや古くなりましたが少し以前（1987 年），
２本の高性能工作機械で旧ソ連の原子力潜水艦のプロペラ音が減少したというようなことがアメリカで問題にされ，キャビテーションという言葉がマスコミにも登場したことは皆さんも知っておられる所でしょう．
それにしても，このキャビテーション現象は，前々項でお話して減圧タンク内の沸騰などに比べると，きわめて複雑です．例えばプロペラ翼背面

J. HTSJ, Vol. 46, No. 194

特別寄稿にある水の圧力は，遠方の圧力 P1 から流れに伴い次第に低下した後，再びもとの圧力 P1 へ回復するという動的な変化を見せるだけでなく，蒸気が水中に発生すると流れの模様が変るので圧力変化も前とは違ったものになります．また海や河川には一般に空気が溶解していますから，その析出の問
題もあります．
②「キャビテーションの気泡核」
しかし，沸騰という立場から見る場合，キャビ
テーションで特に留意すべきは，これが普通，低温の液体中で起こっているということです．例えば海の表面の水温 T1 を調べてみますと，世界中，
年間を通して 30℃以下（東京天文台編纂，理科年
表参照）であり，こうした水温ではそれに対応す
る飽和圧力の値が随分低くなります．実際，いま通常の水温 T1 に対応する飽和圧力 P1S の値を例示してみますと気泡核半径 r（μm） 1502σ/r（mbar）
1460 29.2

水温 T1（℃）
5 10 15 20 25 30
飽和圧力 P1S（mbar）8.7 12.3 17.0 23.3 31.6 42.4
この圧力の値は，前に２章（「少し変わった状態の核沸騰」の項参照）で述べた「低圧沸騰」で例示した圧力 101 ミリバールより，さらにまだ低い値です．従って「低圧沸騰」の特徴である不安定，
不規則な発泡などの性格がさらに増幅されて現れるわけですが，それはそれとしてキャビテーショ
ンの場合は，温度ではなく水圧変化で問題を考えるのが便利です．
すなわちいま，水圧 P1，温度 T1 の水が周囲からプロペラの所に流れて来て翼背面で水圧 P2 まで下がるとしましょう．そして，この水圧 P2 が前の表の温度 T1 の飽和圧力 P1S の値より低くなると，
水は過熱水の状態になるわけですが，しかしそれだけでは気泡が発生することにはなりません．すでに２章（「発泡の開始」の項参照）で見たように，
ここで半径 r の気泡核から泡が成長出来るためには，気泡内の蒸気圧力 P1S と気泡まわりの水圧 P2の差 P1S - P2 が，表面張力による 2σ/r の値より高くなければならないからです．ところで前表のような狭い水温範囲内で表面張力σの値はあまり変化しませんから，いま仮に水温を平均的に 17.5℃
として，その時の 2σ/r の値を計算してみますと伝熱2007 年 1 月- 56 -

100 150 200
14.6 9.7 7.3

従って例えば半径 r が 100 マイクロメートル（すなわち 0.1 ミリメートル）の気泡核から蒸気泡の成長が起こるためには，気泡核内外の圧力差 P1S P2 がこの表の 2σ /r の値 14.6 ミリバールより高くなければならないことになります．そして，このようなことを考慮しながら前記の二つの表を眺めてみると，条件にもよりけりですが，大まかに言って半径 r が 100 マイクロメートル程度ないしそれ以上のかなり大きい気泡核でないと泡の成長が起こりそうにないことが分ります．もちろん以上の計算は近似的（２章参照）なものですが，それでも普通のキャビテーションで泡を作る気泡核は，普通の沸騰に比べると随分大きいものに限ると言えましょう．
③「その他のこと」
それから，もう一つ忘れてならないことは，普通のキャビテーションで発生する蒸気は，前々表のように非常に低い飽和圧力のものです．従って
例えば飽和圧力が 17.0 ミリバールの時を考えると，
水のなんと約 77,900 倍の体積の蒸気が生じ，これはごく僅かな量の水が蒸発しても，流れの状況に
きわめて大きな影響をもたらすことを意味します．
ともあれここでは，船舶のプロペラを例にして来ましたが，キャビテーションの現象はそれだけでなく，水車，ポンプ，管路，弁など液体を扱う
いろいろの装置の中で，液体が高速で流れ，そのため非常に低圧になる場所に発生しますし，また流体潤滑すべり軸受の隙間をまわっている油の中にさえ起こることがあるのです．
海洋の温度差による発電
われわれの家庭や工場に電気を送っている発電所のうち火力発電所では普通，低い温度 TL の水をポンプで加圧してボイラーに入れ，加熱沸騰させて温度 TH の蒸気にした後，この高圧高温の蒸気で発電用タービンをまわします．そして仕事を終ってタービンから出て来る低圧蒸気を海水などで冷やして元の水の状態（温度は TL）に戻し，それからあと前と同じ循環を繰り返させています．このように動力設備（または装置）の中を循環し仕J. HTSJ, Vol. 46, No. 194

特別寄稿事をさせる流体のことを「作動流体」と言い，普通はそれに広く水を使っている訳です．そして，
この作動流体の加熱のために通常は燃料の燃焼熱を使い，また原子力エネルギーも利用されたりしているわけですが，なお太陽熱や地下熱源で加熱してもよく，また原理の面からだけ言えば実は混合熱（例えば硫酸に水を混ぜると温度が上がるる
ことを皆さんは知っておられるでしょう），その他，
温度が上げられるものなら何でもいいのです．
①「海洋温度差発電の原理」
ところで，地球の北半球側で言えば，北極から冷たい水が海洋の底の方を南方へ流れて来る一方，
赤道の方からの暖かい海水が海面近くを北方へ流れて来て，海の深い所と海面近くの間に温度差が自然に作られています．そして日本では沖縄あたり，アメリカではハワイ島付近などの海では，一年を通して十数℃くらいの温度差が得られるので，これを使って発電をしようとする研究や実験が行
われています．その原理自体は普通の火力発電所と同様ですが，ただ海面近くの暖かい海水で作動
流体を加熱して蒸気を作り，またタービンから出た蒸気を深海（数百ないし千メートル位の深さ）から吸い上げた冷たい海水で冷却することになります．
そこで，もし太陽熱などの補助熱源を使わず，海面近くの暖かい海水だけによる時は，その海水の温度，つまり 15 ないし 20℃位の大変低い温度で作動流体を沸騰蒸発させて蒸気にせねばならぬという問題が生じます．そして，普通の発電所のように，仮に水を作動流体に使うとすると，前項の最初の表からもすぐ分るように，20 ミリバール（つまり大気圧の約 50 分の 1）程度という驚くほど低圧の水蒸気でタービンをまわさねばなりません．もちろんこれは極めて困難なことです．そこで，もし作動流体に水以外の物質，例えばアンモニアを使うとすれば，前と同じ温度条件で大気圧

伝熱2007 年 1 月- 57 -の 8 倍位の圧力アンモニア蒸気でタービンをまわすことが出来るようになります（アンモニアの使用に伴う環境問題は別として）．
②「高性能加熱面」
また普通の火力発電所では作動流体の働く温度の範囲 TH - TL が 300℃位の広い幅であるのに対し，現在の海洋温度差発電所の温度範囲は，前述のように最大でも僅か十数℃しかなく，なお現実にはまだそれより小さな値になってしまいます．
なぜなら，作動流体を海水で加熱し，また冷却す
るのに，それぞれ作動流体と海水の間に温度差がどうしても必要だからです．従って作動流体を加熱や冷却する時，その伝熱に必要な温度差を極力小さくすることが至上命令の一つになって来ます．
そこでいま，海水を使って作動流体を加熱沸騰させる蒸気発生器の加熱面について考えてみましょう．この場合，核沸騰は一般に優れた熱伝達性能を持つものですが，それでも加熱面が沸点以上に過熱されて十分な沸騰にならないと熱伝達は強くならないことです．そしてその必要過熱度は普通の加熱面では 5，6℃位になりますが，海洋温度差発電の場合，そんな温度差をとる余裕がありません．どうしても 1℃以下の僅かな過熱度で沸騰し，しかも熱伝達の優れた高性能加熱面を人工的に作り出すことが必要になります．
そしてそういう加熱面としては，作動流体として使用する流体が前述のような小さな過熱度で，十分な沸騰を起こすように適当な寸法の微小の凹み（２章参照）を加熱壁面上に人工的に作り出す他ありません．そして凹みの形状，凹み内の気泡
核の保持，凹みへの液体侵入あるいは凹み内の蒸気の凝縮防止，壁面上の凹みの分布密度，その他，
すべて壁面上の微細（ミクロ的）な構造にかかわるもので，その設計に必要な伝熱機構，またその製作に必要な加工技術などを組織的に研究することが大切になります．
（終わり）

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特別寄稿

清酒造りと「熱」“Heat” in Sake Brewing

秦 洋二（月桂冠）
Yoji HATA (Gekkeikan Sake Co., Ltd.)e-mail: y_hata@gekkeikan.co.jp
わり合いが深いお酒なのかもしれない．
1. はじめに
我が国で最初にお酒が造られた正確な年代は定
ここでは｢酒造り｣工程を概説しながら，「お酒かではないが，｢清酒造り｣は少なくとも 2000 年以造り」と｢熱｣との関係について述べてみたい．
上の歴史を持つと言われている．3 世紀の中国の史書「魏志倭人伝」は，卑弥呼の邪馬台国の記述
2.お酒の造り方で有名だが，その他に当時の日本人（倭人）の生
2.1 世界 3 大醸造法
活習慣が幾つか書かれている．お酒に関しては，我が国の酒税法では，お酒とは「アルコール分「・・歌舞飲酒す．父子男女別なし．人性酒を嗜
１度以上の飲料」と定められている．酒屋さんやむ．
」とあるように，我々の祖先もお酒をこよなく
スーパーマーケットに出向くと，様々なお酒が店愛していたことが示されている．
頭をにぎわしている．ただもともと地球上にはアルコール（エタノール）とういう分子は，ほとん
ただ，現在我々が嗜んでいる清酒が当時から飲ど存在せず，これら酒類のアルコールは，全て酵
まれたいたわけではない．2000 年の歴史のなか，母の醗酵によって，人間が生み出したものである．
様々な技術革新を経て，現在のような｢美味しいおこのアルコールを，何から，どのように作るかに酒｣を造ることができている．まさしく清酒造りと
よって様々な酒類の分類ができる．
は，我々の先人達の長年の技術が結晶した貴重な
１）技術遺産である ．
清酒醸造とは，酵母や麹菌を用いた微生物醗酵
によって造られるため，一見｢伝熱｣とは無関係に見える．ところが，清酒を造るためには｢熱｣は欠かせない．まず，原料である白米は，加熱して，酵母や麹菌の分解・醗酵が起こりやすいように処理しなければならない．次に，できあがったお酒を｢火入れ｣と呼ばれる加熱処理にて殺菌し，保存性を高め，香味を調える工程も重要である．さらにお酒を温めて飲む「お燗」にも，熱が必要である．清酒のように暖めて飲む酒
図２ 世界三大醸造酒の造り方
類は，世界中でも例は少なく，これも我々の図２には，代表的な醸造酒の製造方法の概略を先人が見出した貴重な記載する 2)．酵母は糖分をアルコールに変換する
飲酒スタイルである．
ことによってエネルギーを獲得するため，糖分を清酒は様々な酒類の中含む原料を酵母に与えるとお酒ができる．例えでも，最も｢熱｣と関図１ 伝統技術で造られる清酒

伝熱2007 年 1 月-58-

J. HTSJ, Vol. 46, No. 194

特別寄稿

は，酵素の分解を非常に受けにくい結晶化構造をとっている．これを加熱処理し，結晶構造をアルファ化状態に変えることにより，酵素とデンプン分子の接触が可能となり，デンプンを糖分に分解することができる．我々が生米を食べても消化されないが，炊飯した米を食べると唾液のアミラー
ゼなどの酵素で分解されて栄養分になることと同じ理屈である．ただ，清酒造りでは，米は｢炊く｣のではなく，｢蒸す｣ことによりアルファ化する．
そして，この「蒸す｣技術が非常に重要で，なおかつなかなか難しい．
3.2 お米を「蒸す」
蒸した米（蒸米）は，清酒造りの基本原料である．この蒸米に麹菌というカビを生育させて，デンプンの分解などに必要な酵素を生産する．また仕込みに必要な酵母を純粋に調製する「酒母」工
程にも蒸米を使用する．そして，蒸米のほとんど
は，もろみ発酵工程にて，主原料として投入され，蒸米中のデンプンが分解されアルコールが作られる．この蒸米の出来は，水分含量に大きく影響される．水分が多すぎると，柔らかい蒸米になり，仕込み工程で溶けすぎたり，麹菌の酵素が上手く生産されなかったりする．一方硬すぎる蒸米は，仕込みで溶けにくいだけでなく，「生蒸」と呼ばれて生デンプンが残ってしまう危険性もある．酒造りは，「外硬内軟」が理想の蒸米と呼ばれ，外側が硬く，内側が軟らかい蒸米が望まれている．そのためには，あらかじめ白米に吸収させる水分を調整し，また蒸米時間や蒸気量などを調整しながら，まさしく｢経験｣と｢勘｣をもとに理想の蒸米を目指した酒造りが行われる．職人達は，できたての蒸米を手でこねながらその硬さ･粘り気・水分などを感触で判断する．図４のように蒸したての熱い蒸
米の感触をみて，さらに「ぶんじ」と呼ばれる木製の板を使って，手のひらでこねながら餅状にしていく．これを｢ひねり餅｣と呼び，蒸米の出来を判断する方法として現在も受け継がれている．

ばワインなどの果実酒では，原料中に糖分が含まれているため，果汁に酵母を混ぜるだけでアルコール発酵ができる．ビールの原料である大麦中のデンプンはそのままではアルコール発酵できない
ので，あらかじめ麦芽の酵素によってデンプンを糖分に分解させてから酵母によってアルコール発酵を行う．一方清酒では，原料の米デンプンを麹菌というカビの酵素を用いて糖分に分解して，ア
ルコール発酵を行う．清酒醸造の複雑な点は，このデンプンから糖分へ分解する工程と酵母によるアルコール発酵の工程を同時に並行して行うことである．どちらかの工程が進みすぎでも，正常な醗酵ができず，麹菌と酵母の働きを上手くバラン
スをとることが重要である．このように清酒醸造
は，他の醸造酒に比べて，製造法が複雑であることが分かる．ワインでは美味しさの秘訣は，｢良いブドウ（原料)｣であるのに対し，清酒では「良い杜氏（製造者）」が美味しいお酒を造るとされていることにもそのポイントが表されている．
3.お酒を造るための「熱」
3.1 原料米処理と加熱
清酒の製造法を図３に示す．清酒造りは，まず米を精白する工程からははじまり，発酵工程・熟成工程・ビン詰工程と，約 1 年間かけて造られる．
その間，酵母と麹菌という 2 種類の微生物を巧みに操りながら，香味のバランスの取れた清酒が生み出される．純米酒でたとえるなら，白米１ｋｇ
から一升瓶一本の清酒を造ることできる．実はお酒とは，お米を贅沢に使用した飲料なのである．
先に述べたとおり，原料米は加熱してデンプンを「やわらかく」しないと麹菌の酵素による分解ができない．デンプン質は生（非加熱）の状態で

図４

図３ 清酒の製造工程

伝熱2007 年 1 月

-59-

蒸米の評価

J. HTSJ, Vol. 46, No. 194

特別寄稿
3.3 お米を「融かす」3)､4)
一方，我々は，米を「蒸す」代わりに「融かす」
方法の開発に成功している．まず白米を粉砕し，耐熱性のアルファ化酵素を用いて，加熱処理と酵素処理を同時に行い，米デンプンを一気にスラリー状にまで分解する技術である．図５に示すように，米を融かしても，デンプンは完全に分解されるわけではなく，グルコースが数個繋がったオリゴ糖が生成されるため，清酒醸造の特徴である糖分の分解とアルコールの発酵が同時に行われる｢並行複発酵｣を行うことができる．この米を溶かす仕込みの特徴は，（１）蒸米のような固形分が含まれないため，仕込み槽内を均一にすることができる．（２）その結果，非常に精密な温度管理・サンプリング可能となり，制御品質が向上する．
（３）白米の溶解度が非常に高いため，デンプンの利用率が向上する．などがあげられる．

図６

4.お酒の品質を保つ「熱」
4.1 お酒の殺菌「火入れ」
清酒造りの発酵工程でのもろみはまだお酒ではなく，もろみを搾って固形分を分離して初めて清酒が生まれる．その後，ろ過工程により，搾り工
程では取り除けなかった酵母などの微生物が除去され原酒ができあがる．ちなみにこの段階の原酒のアルコール度数を調整したものが生酒である．
ただこの原酒中には，麹菌の酵素はまだ残っており，保存中に様々な酵素反応により酒質が変化する可能性がある．また乳酸菌などが混入して，お酒が腐ることも考えられる．乳酸菌の中にはアルコールが 10％以上含まれる清酒でも生育できる
火落菌が存在し，過去には多くの清酒がこの菌により腐造した経験を持つ．
清酒を加熱して微生物を殺菌し，麹の酵素の働きを止める操作を「火入れ｣と呼ぶ．火入れは，清酒の品質を安定させるだけでなく，加熱後の熟成によってお酒を「まろやか」にする効果もある．
一般的にこの火入れ操作は，65 度くらいの温度で20 分程度行う．いわゆる低温殺菌法である．これは，1862 年にパスツールがワインの殺菌方法として開発したパストリゼーションと同じ方法である．
しかし清酒の場合は，室町時代の多聞院日記（興福寺）に「酒を煮て樽に入れおわる」などの記述が残されているように，パスツールを遡ること
300 年前から低温殺菌法が実施されていた．この点においても，先人たちの努力と発想に頭が下がる思いである．
このようにお酒の品質を保つためにも｢熱｣は欠かせない．

図５ 融米造りの特徴
お酒を融かす技術が開発されて，清酒造りも大きく様変わりしている．図６は，弊社の屋外大型発酵槽である．従来の蒸米を使った酒造りでは，
このような大型発酵槽で仕込みを行うことはできない．固形分が混ざった状態では，混合・攪拌はできないからである．しかし，米を融かすことにより，このような大型発酵槽であっても，槽内の原料分布を均一にでき，緻密な制御を行いながら，目的の品質の清酒を造ることできる．従来の職人（杜氏）の経験と勘と現在の食品加工技術を融合させて生み出された新たな清酒醸造技術である．

伝熱2007 年 1 月

大型発酵タンク-60-

J. HTSJ, Vol. 46, No. 194

特別寄稿

5.お酒を美味しくする「熱」
5.1 お燗のお酒をいかが清酒を温めて飲む「燗酒」は，日本独特の飲酒文化である．赤ワインを温めて飲むグリューワイ
ンもあるが，これはワインに香辛料やシロップなど加えた｢ホット専用｣の飲み物である．清酒のように同じお酒を，低温・常温・暖温のように幅広い温度帯で飲む習慣は，あまり例はない．図 7 に飲酒温度とお酒の呼び名の一覧を示す．なるほど，様々な呼び名がつけられていると感心してしまう．
お酒を温めて飲むことは，カラダを暖めるばか
りか，アルコールの吸収が早くなり，さらにお鍋などの暖かい料理との相性が高まるなどの効果がある．弊社の HP でも，「燗酒のすすめ」が公開されているので，ぜひ一度ごらんいただきたい 5)．

図７

図８

ラである．図９に一合徳利を市販電子レンジで加熱した場合の温度分布を示すが，首部分が極度に過加熱されていることがわかる．80℃にまでも加熱されていれば，首部を持って火傷をする恐れもある．この過加熱現象は，首部の電力密度が高くなることが原因 (エッジランナウェイと呼ばれる現象）で，マイクロ波の効果を集中させないような形状に変更する必要がある．

清酒の飲用温度の表現例

5.2 お燗のつけかた
お燗のつけかた（暖め方）は様々である．料飲店などでは，酒燗機のような専用機によって，一升瓶のお酒から瞬時に暖かいお酒を徳利に注ぐことができる．また「ちろり」と呼ばれる錫製の容器にお酒を入れて，これを湯煎で暖める方法でも美味しいお燗ができあがる．一方家庭で燗をつけるには，電子レンジを利用することが圧倒的に多い．著者も含めて「レンジでチン」にお世話なっている左党も多数いるのではないだろうか．
図８に電子レンジにおける加熱時間とお酒の品
温との関係を示す．伝熱のご専門の方には当然であるが，加熱時間に比例して温度が上昇する．季節によって最初のお酒の品温が異なるので，季節ごとに加熱時間を決めておけば，いつでも一定の温度の燗酒が得られる．しかし徳利にお酒を入れて加熱する場合に，大きな問題点がある．加熱ム

伝熱

電子レンジ加熱による品温上昇経過2007 年 1 月

図９電子レンジ加熱した徳利の温度分布5.3 電子レンジ専用徳利の開発６）そこで三洋電機電化事業部の協力を得て，電子レンジで加熱ムラのおきにくい徳利の開発を行った．三洋電機のスーパーコンピューターにより電子レンジ庫内の電磁波分布をシミュレーションし，
加熱ムラが起こりにくい形状を推定し，図１０に示す A～C の形状の徳利を試作し，評価した．これらいずれも容器内の温度差は非常に少なく，目的の加熱ムラの起こりにくい徳利の要件を満足した．しかし，徳利には加熱特性のような機能面だ-61-

J. HTSJ, Vol. 46, No. 194

特別寄稿

図１０

西洋の近代自然科学に先行発明を譲ってしまっている．
実は著者の専門は，醸造微生物の分子生物学である．遺伝子を中心とした分子生物学によって，清酒醸造のメカニズムを解明し，その貴重な技術
資産に科学的証明を与えることに喜びを感じている．既に，米麹のような固体基質に微生物が生育する際の遺伝子発現を明らかにし，清酒造りの米
麹培養がいかに「理にかなった」ものであることの証明に成功している．今回投稿させていただいた「伝熱」は我々の業界とは，全くの異分野である．醸造技術の素晴らしさに多少なりともご共感をいただき，これらの科学的証明にお力をお貸しいただける伝熱研究者の方を希望しています．

徳利の試作品の形状

けでなく，注がれた酒を美味しく感じる｢感性｣も必要である．これら人間の感性を含めて再度デザインを検討して試作を行った徳利が，D～F である．その中で最も加熱適性の良好であったタイプ
F を｢電子レンジ用徳利｣として商品化した．徳利の販売自体に大きな利益があるものではないが，お客様にお酒をより美味しく味わっていただくことに貢献できればと考える．図１１に完成した電子レンジ用徳利の形状を示す．

図１１

最後になりましたが今回の特別寄稿をご推挙いただきました京都大学大学院・吉田英生先生に厚く感謝申し上げます．
参考文献[1] 秋山裕一，日本酒，岩波書店 (1994)[2] 日本醸造協会編，改訂清酒入門，醸造協会(1995).
[3] 今安聰 杉並孝二 , 安部康久 , 川戸章嗣 , 大石
薫：新しい清酒製造法の開発 生物工学 71(1993) 29.
[4] Oishi, K. et al: Application of Fuzzy Control to
Sake Brewing Process, ICE, Fev / Mar (1992) 10.
[5] 月桂冠ホームページ：
http://www.gekkeikan.co.jp/enjoy/encyclopedia/in
dex.html[6] 中野真知，秦洋二：徳利の電子レンジ適性について 醸造協会，98，(2003) 168-174.

電子レンジ専用徳利（月桂冠）

秦 洋二1960 年 12 月 生まれ
1983 年 京都大学農学部
農芸化学科卒業
同年
大倉酒造 (現 月桂冠) (株)入社
1988 年～1991 年(財) 醸造資源研究所出向
1993 年 農学博士 (京都大学)
1997 年 総合研究所 主任研究員
製品開発課長
現在
総合研究所 所長
奈良女子大学客員教授

6.おわりに先にも述べたように，清酒と熱との関係は意外と深い．熱がなければ，美味しい清酒いや清酒自体を造ることはできないだろう．ただこのようなお酒と加熱との関係は，一朝一夕にできあがった
わけではなく，先人たちの多くの試行錯誤の結果生み出されたものである．火入れ技術の発見の項で述べたように，我々の伝統技術の中には，西洋技術を先んずるものが多数存在している．ただ，その技術の根拠を科学的に証明する習慣が薄く，伝熱

2007 年 1 月-62-

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ネイチャーQ

地球深部の高温高圧状態をつくる
Generation of Pressure and Temperatureof the Earth’s Deep Interior

ネイチャーＱ入舩 徹男（愛媛大学地球深部ダイナミクス研究センター）
Tetsuo IRIFUNE (Geodynamics Research Center, Ehime University)e-mail: irifune@dpc.ehime-u.ac.jp

ない. 地表付近の地温勾配はおよそ 30℃／km 程度であるが, このまま温度が上昇すると例えば深さ 660km の上部・下部マントル境界では 20000℃
程度の高温ということになる . しかし, マントルを構成する岩石は 2000℃くらいで完全に融けてしまうことが, 実験によりわかっている. マント
ルが固体状態であることは, 地震波の S 波を通すことから明らかであり, 地表の温度勾配に基づくマントルや核の温度の見積もりは高すぎることになる.

1. 地球内部の構造と圧力・温度
地球内部は大きく分けて３つの層にからできており, それぞれ深さ約 30km までを地殻, 2900km
までをマントル, また深さ 6400km の中心に至る部分を核と称する（図１）.岩石でできているマン
トルは, 深さ 660km 付近で上部マントルと下部マ
ントルにわかれている. また, 主に金属鉄を主成分とする核も, 深さ 5150km を境に外核と内核に区分されている. 地球内部はどろどろに溶けた溶岩がつまっているイメージが一般的だが , 深さ2900-5150km の外核を除いて地球内部はほとんど固体状態にある.
深さに伴う圧力の変化は, 地球内部が静水圧状態であると仮定し, また地震波速度から得られる
地球内部の弾性的性質をもとにして, 比較的高い精度（およそ±1-2 %）で決定されている. それに
よると , 地殻とマントルの境界である深さ 30km
が約 1GPa（約 1 万気圧）, 2900km のマントル-核境界で 136GPa, 地球中心部の 6400km の深さでは364GPa という高い圧力条件下にある（[1], 図１）.

図１2. 地球深部の温度の見積もり
それでは, 地球深部の温度はどのようにして見積もられているのだろうか. 地球の表面に近い深さ 100km 程度までのいわゆる“プレート（リソスフィアー）”の温度は, 伝導による熱輸送が実現されていると考えられている. 従ってこの程度の深さまでは, 深さを変数とした熱伝導方程式を, 地
表の温度や熱流量を境界条件として解くことにより制約される. このような計算結果によれば最上部マントルは, 平均およそ 5-6℃／km 程度の温度勾配を持つ. この結果, 大陸下や海洋下など地殻の厚さによっても異なるが, 深さ 100km の温度は1000-1200℃程度と考えられている.
一方, マントル起源の岩石を用いて, それが生成したマントルの温度と圧力を推定することができる. ある種のマグマの噴出にともない, マントルを構成する岩石が地表にもたらされることがあり, これを捕獲岩と称する. マントル捕獲岩はその大部分がかんらん岩であるが, それを構成する
かんらん石 , 輝石, ざくろ石などの鉱物の化学組
成は圧力・温度によって変化する. このことを利用する“地質学的温度・圧力計”を用いると, マ
ントル岩石が生成した温度と圧力を知ることができる. この方法により推定されるマントルの最上部の温度は, 上記の熱伝導方程式による見積もり

地球内部の温度変化と２種類の高圧装置(DAC, MA)の発生温度圧力限界

一方, 地球内部の温度はあまりよくわかってい伝熱2007 年 1 月- 63 -J. HTSJ, Vol. 46, No. 194

ネイチャーQとあまり矛盾しない.
より深いマントルや核の温度は, 各層の境界部を除いて対流による熱の輸送が卓越していると考
え ら れ て お り , 断 熱 圧 縮 温 度 勾 配 (dT/dr)s =-αgT/Cp に近いと考えられている . マントル物質の適当な比熱（Cp）と熱膨張率（α）を与えることにより, マントル中の温度勾配として 0.3-0.5℃/km 程度の値が得られる（g は重力加速度, r は地
球の中心からの距離）. この値は, 上記の最上部マ
ントルの温度勾配より１桁小さく, マントル最下部の 2900km 付近でもその温度は 2000-2500℃程度であると考えられる.
構成物質がケイ酸塩を中心とした岩石から, 鉄を主体とした金属に変わるマントル-核境界では,地表付近と同様に伝導が熱輸送の主要なメカニズ
ムである。 この付近では、温度が 1000-2000℃程
度急に上昇する熱境界層が存在すると考えられる.
外核は熔融鉄, 内核はそれが固化してできた鉄の多結晶体であると考えられており , 内核 - 外核境界の深さに対応する約 330GPa で地球の温度と鉄の融解曲線が交差するはずである. このことは核の温度を推定する重要な制約になるが, 現在のところこのような高い圧力で鉄の融点を正確に決定することは困難である.
このように, 地球内部の圧力は比較的精度よく決まっているのに対して, 温度はあまり正確にわかっていない . マントル中の温度の不確かさは ,5-10% 程度あると考えていいだろう . また , 地球
中心部の温度は 5000-6000℃程度と推定されているが, その不確かさは±10-20%程度にも達するのが現状である（[2], 図１）.

モンドにより, 微小な試料を加圧するダイヤモン
ドアンビル装置（Diamond Anvil Cell, DAC：図２）と, 多数の超硬合金製のアンビルを組み合わせて
大型プレスで試料を加圧するマルチアンビル装置（Multianvil Apparatus, MA：図３）である（アンビル＝高圧力を発生させる硬い金属などの塊） .
MA のうち, 特に 6 個の第１段アンビルと 8 個の第２段アンビルを用いる 6-8 型装置は[3], その最初の開発者である大阪大学の故川井直人教授に因んで Kawai 型 MA とも称される.

図２

3. 高温高圧実験
地球深部に対応する圧力は, 衝撃波を利用する
動的圧縮や, プレスを用いて機械的に圧縮する静的圧縮により実現される. 前者では地球全体をカバーする超高圧の発生が可能であるが, その継続
時間の短さなどの理由から, 特に反応速度の遅い
ケイ酸塩鉱物の相転移や物性の研究にはあまり適していない. 従って現在では, 主に後者の静的圧縮法が地球内部の物質科学的研究に用いられている.
静的圧縮による高温高圧発生装置としてよく利用されているのは, 対向する２個の単結晶ダイヤ

伝熱2007 年 1 月

ダイヤモンドアンビル装置（DAC）

図３

マルチアンビル装置（MA）

これら２種類の静的圧縮装置はそれぞれ下記のような特徴があり, 目的に応じて使い分けられている. 通常は高温高圧下で試料を合成した後, 温度を急速に下げることにより高圧相を凍結し, 常温常圧下に取りだして分析する“急冷回収法”が- 64 -J. HTSJ, Vol. 46, No. 194

ネイチャーQ
用いられる. しかし元素の拡散速度が遅く,結晶構造が凍結可能なケイ酸塩などのマントル鉱物も ,特に数十 GPa の高圧下では急冷凍結が困難なものが多い. そのような高圧相の分析には, 高温高圧
下での X 線その場観察が重要な手段となる. 特に
この２０年間で大きな発展を遂げた第２・第３世
代の放射光実験施設における X 線その場観察は,
今や地球内部の物質科学的研究に欠かせないものとなっている[4, 5].

熱することにより軽減される . また, 圧力勾配も適切な媒体を試料周りに配することにより, その影響を小さくすることができる. しかし特に100GPa を大きく越える領域では , これらの問題は深刻であり, 現在のところ地球の下部マントル
最下部〜核領域の高温高圧実験は, 予察的な段階にあるとみなすべきであろう.
DAC を用いた実験は, 現在のところこのような精度上の問題はあるが, その高い圧力発生能力により , 様々な新しい高圧相の発見もたらした. マ
ントル内部の不連続面の形成は, このような高圧
相転移と深く関係していることが多い. 最近では,
マントル最下部に対応する 120GPa 付近の圧力下で, 下部マントルの主要な鉱物高圧相であるぺロ
ブスカイト型 MgSiO3 が新しい高圧相（ポストペロブスカイト相）に相転移することが発見され ,地球深部科学上の大きな話題となっている[6].

4. DAC による高温高圧発生
DAC は装置全体が掌に乗るくらいの小さなサイズであるが, 最高 400GPa 程度の発生が可能である. ただし, 200GPa を超える圧力下ではダイヤ
モンドの塑性変形が顕著になり, 圧力を発生する
先端面の径を極端に小さくしたり様々な形状に加工する必要がある. この結果特にこの程度の圧力では, 試料のサイズは直径・厚みとも 20-30μm 程
度と, 非常に小さくなってしまう.
ダイヤモンドは広範な波長の光に対して透明なので, YAG や YLF といった固体発振レーザーを用いて試料部の加熱が可能である. 一方でダイヤモンドは高い熱伝導率を持つため, 上記のような超高圧領域では試料が非常に薄くなり効率的な加熱が困難になる. 圧力の点では地球のほぼ全域をカバーしている DAC ではあるが, 図１に示すように核領域に対応する数千℃の加熱は難しい. また,
微小な試料を均一に加熱することも大変困難である. 発生温度は, 試料からの輻射光の波長変化から見積もることができるが, 普通試料内部に大きな温度勾配があるため精度の高い実験は困難である. また, 試料からの輻射光の検出が困難な
1000℃程度以下の温度の測定も難しい.
一方, 発生圧力は試料付近におかれたルビーの小片に Ar レーザー等を照射し, その蛍光線の圧力変化に基づいて評価される. 放射光 X 線を用い,
Pt や Au などの状態方程式を利用して, その格子体積変化から圧力を見積もることも可能である .
しかしながら特に高温実験の圧力評価には, 後者の方法を用いるのが一般的である. 試料の容積が極端に小さいため, 一般に試料中の温度勾配とともに圧力勾配も無視できない.
DAC における温度勾配の問題は, 試料を両面からレーザー加熱したり, 試料に接した金属箔を加伝熱2007 年 1 月

5. MA による高温高圧発生
MA による実験では, DAC に比べて数桁大きい
比較的大容量の試料部に, 均一な温度・圧力を発生することができる. このような利点を生かして,MA は精度の高い相境界や状態方程式の決定や ,試料合成, また弾性波速度や電気伝導度などの物
性測定に用いられてきた. また, 試料部の酸素分圧など揮発性成分を制御したり, 現実の地球物質に近い多成分系物質の研究においてもその優位性を発揮する. しかしながら MA では，アンビルの硬度により発生可能圧力が制約され, 超硬合金を用いた Kawai 型装置では通常下部マントルの上部に対応する 30GPa 程度が限界である.
MA による高温発生では, ヒーターに電流を流しジュール熱により試料を加熱するのが一般的である. LaCrO3, TiC, Re などのヒーターを用いて，3000℃程度までの安定的加熱ができ, 反応速度の遅い多成分系ケイ酸塩鉱物の相平衡実験も可能である . 温度は熱電対を用いて精度良く測定され ,加熱部の構成を工夫することにより, 温度勾配や圧力勾配が小さく精度の高い実験をおこなうことができる.
圧力の測定は, 相転移圧力が精度良く決定されている金属の固相相転移や半導体の金属化などを利用する. これらの物質の電気抵抗測定により相転移を検出し, 高圧プレスの荷重を同時に測定す- 65 -J. HTSJ, Vol. 46, No. 194

ネイチャーQ
る. 複数の物質に対してこのような測定をおこな
い, 荷重と発生圧力の関係を示す圧力校正曲線を決定し, これを用いて加えた荷重から発生圧力を推定する. また DAC と同様に, 状態方程式が既知の圧力標準物質を用い, X 線その場観察により高温高圧下で圧力を決定することも広くおこなわれている.
このように MA ではその大容量と高い圧力・温度決定精度を利用して, 特に上部マントルから下部マントル最上部に至る条件での精密な実験がお
こなわれてきた. この結果, マントル物質の相転移の詳細な解明や沈み込んだプレートのゆくえ ,またマグマの発生条件や揮発性成分の影響の解明など, 多様な地球科学的研究がおこなわれてきた.
近年では超硬合金アンビルに代えて, より硬度が高い焼結ダイヤモンドアンビルを用いることにより, 圧力発生領域の拡大が試みられている. この結果, 図１に示すように従来の超硬合金アンビル
を用いた場合の２倍以上に相当する, 70GPa 程度の圧力発生も可能になりつつある[7].

図４

6. ナノ多結晶ダイヤモンドの高温高圧実験への応用
筆者らは MA を用いた直接変換実験により, 初
めて純粋な立方晶ダイヤモンド多結晶体の合成に成功した. 住友電工エレクトロニクス・材料研究
所の研究グループとの共同研究により, これが数10nm 程度の微細結晶からなる特異なナノ組織を有し, またその硬さが通常の単結晶をも凌ぐことが明らかになった（図４, [8]）. ひき続きこのダイ
ヤモンド（Nano-Polycrystalline Diamond, NPD）の大型化と良質化に取り組み, 最近では直径約 4mm,
厚さ 2mm 程度の高い透光性をもつ良質な NPD の合成が可能になっている. NPD は単結晶や従来のバインダー入りの焼結ダイヤモンドに比べて, 高
温でも高い硬度を維持することが明らかになっている. また, 通常の単結晶に比べて時間がかかる
ものの, 様々な形状への加工が可能であることもわかってきた（図５）. 我々の研究グループでは,
こ の よ う な 高 圧 装 置 用 の 大 型 NPD を 特 にHIME-DIA（Highly Incompressible and MechanicallyEndurable Diamond）と称し, その高温高圧発生への応用を試みている.

伝熱2007 年 1 月

ナノ多結晶ダイヤモンド（NPD）の特徴

図５

様々な形状に加工した NPD

HIME-DIA の MA への応用として, Kawai 型装置の八面体内に２個の対向アンビルを組み込む
6-8-2 型加圧システムによる高温高圧発生に取り組んでいる. その第一歩として第３段アンビル材に単結晶ダイヤモンド, 多結晶焼結体, HIME-DIAの３種類を用い, 放射光 X 線その場観察により発生圧力を評価した. この結果, いずれも常温下で80-90GPa 程度の高圧発生が確認されたが, 前者２
種類のアンビルを用いた場合, 500℃程度以上の高温下では発生圧力が著しく低下した [9]. 一方で ,HIME-DIA を用いたアンビルでは, 1000℃近い温度までこの圧力が保持できることがわかった. この結果は HIME-DIA の高温硬度特性とも調和的であり,高圧セルの改良により高い圧力・温度の発生が可能であると思われる.
一方, HIME-DIA を DAC 用アンビルとして用いる試みが, 大阪大学極限量子科学研究センターや,
上記住友電工などの研究グループとの共同研究として開始されつつある. 単結晶を用いた DAC に- 66 -J. HTSJ, Vol. 46, No. 194

ネイチャーQ

Yoshii, A. Kubo, A. Nozawa and K. Funakoshi,
Advances in High-Pressure Technology for
Geophysical Applications, Elsevier Sci. Publ., pp.
451-460 (2005).
[8] T. Irifune, A. Kurio, S. Sakamoto, T. Inoue and H.
Sumiya, Nature 421, 599-600 (2003)[9] 國本健広 , 入舩徹男 , 角谷均 , 高圧力の科学と技術 16, 67 (2006)

よる圧力限界はその塑性変形や割れに起因するが,HIME-DIA の高い硬度や靱性を利用すれば, このような限界を大きく打破できる可能性がある. また, HIME-DIA は高い透光性があることから, 波長によってはレーザー加熱も可能であると見込まれる. さらにその熱伝導率が単結晶に比べて低い
ことも, 高温の保持には有利である. 筆者らのグループでは HIME-DIA のさらなる大型化にも取り組んでいる. これらの試みがうまくいけば, 従来にない試料容積を持つ DAC 中に, 地球の中心核に対応する高温・高圧状態を実現することもあな
がち夢ではないかもしれない.

入舩徹男

参考文献
[1] A. M. Dziewonski and D. L. Anderson, Physics
of the Earth and Planetary Interiors 25, 297-356(1981)[2] 入舩徹男, 小室裕明, 鈴木尉元, 多田堯, 西村
敬一, 地球内部の構造と運動 , 東海大学出版(1995)[3] N. Kawai and S. Endo, Review of Scientific
Instruments 41, 1178-1181 (1970)[4] T. Irifune, Mineralogical Magazine 66, 769-790(2002)[5] 八木健彦, 超高圧の世界, 岩波書店 (2002)[6] M. Murakami, K. Hirose, K. Kawamura, N. Sataand Y. Ohishi, Science 304, 855-858 (2004)[7] E. Ito, T. Katsura, Y. Aizawa, K. Kawabe, S.

伝熱2007 年 1 月

1954 年三重県生まれ. 京都大学理学部卒業, 名古屋大学大学院理学研究科（博士前期）, 北海道大学
理学研究科（博士後期）修了後, オーストラリア国
立大学研究員 , 北海道大学理学部助手 , 愛媛大学
理学部助教授・教授を経て, 現在愛媛大学地球深部ダイナミクス研究センター長・教授. 専門は高圧地球科学.

- 67 -J. HTSJ, Vol. 46, No. 194

プロジェクト Q

極低温機器の開発
Development of Cryogenic Temperature Apparatus

プロジェクトＱ

中込 秀樹（千葉大学）
Hideki NAKAGOME (Chiba University)e-mail: nakagome@tu.chiba-u.ac.jp
1. はじめに
筆者は大学院の博士課程を修了後の 1979 年 4月に東京芝浦電気株式会社（現株式会社東芝）に入社した．その後，数ヶ月の新入社員教育を経て総合研究所エネルギー機器研究所超電導グループに配属になった．本稿は東芝在籍時代の筆者自身の極低温機器に関する研究開発の経験を纏めたものである．
本論に入る前にもうひとつはっきりさせておかなければならない事がある．それは「極低温」を「きょくていおん」と読むか，「ごくていおん」と読むかである．これに関しては荻原宏康氏（入社当時のエネルギー機器研究所所長）と共著の「極低温のはなし」（テクノライフ選書）[14] の中に
以下のように書かれている．

2. 研究開発のスタート
2.1 超電導磁気浮上列車
当時の超電導グループは超電導材料・線材，超電導コイル，冷凍・冷却技術の三つの開発チーム
から構成されていた．つまりそれぞれ材料・物質工学，電気・電子工学，機械工学の専門家が集まってひとつのグループを構成していた．私は当然のごとく，冷凍・冷却技術チームの一員となった．
さらに私の入社した時期は，丁度 JNR(現在のJR) による超電導磁気浮上列車が宮崎実験線の走行実験の最盛期であった． 79 年に無人実験車両
ML-500 で最高時速 517km/h を達成後，有人車両
MLU001 の走行実験が開始されようとしていた．
図 1 は 001 の改良型である MLU002 の実験走行中の写真である．
浮上用の超電導磁石の開発を担当していた研究

極低温の「極」をキョクと読むかゴクと読むかはっきりさせてからでないと，極低温なんて文字の出てくる本は読めないという人のために，このページを捧げる．とはいいながら，あまり厳密な
言い方でないので気がとがめるが・・・・・．
極という字を頭にいただくことばはけっこう多い．確かに極とか超とかを頭につけようと思えば何にでもつけることができるという面がある．使う人間仲間の許容度の問題という面があるので，
極オンチとか超ボケというような間に合わせこと
ばを省かせてもらうことにしても，キョクという読みで出発することばもゴクという読みで出発す
ることばも，『広辞苑』ではどちらも四〇語前後ある．
ただ，春遍雀来（Jack Halpern）氏編，研究社刊の『新漢英字典』では圧倒的にキョクが多い．『理化学辞典』（岩波書店）でも同じようにキョクが多い．キョクのほうが科学技術にはよく似合う，ということなのだろう．
図1

伝熱2007 年 1 月- 68 -

超電導磁気浮上列車（MLU002）

J. HTSJ, Vol. 46, No. 194

プロジェクト Q
所のメンバーも入れ替わり立ち代り宮崎の実験線［宮崎駅から北へ約 50km，東都農（ひがしつの）と美々津（みみつ）の両駅の間にあった］に泊り込んで作業を行っていた．博士課程を卒業して，研究生活はもう飽きた事を自認していた私としては，生まれて初めて経験する大きな実験プロジェ
クトに参画できることに大いに魅力を感じていた．
おまけに作業終了後は毎晩のように日向の飲食店街に繰り出していたことも，魅力を倍増させていた．しかし，ちょうどその頃当時の研究所幹部は私には別のことをやらせようと密かに作戦を練っていたようである．

Cryocooler

2.2 極低温システム
順序が逆になったが，ここで超電導マグネット用の極低温システムに関して少し説明をしておく．
表 1 に代表的な低温液化ガスの沸点を示した．
この中で良く出てくるのは，液体窒素（77K），液
体水素（20K），液体ヘリウム（4.2K）である．液体ヘリウムは主に超電導マグネットの冷却用に用いられる．図 2 に示すように，超電導マグネットはクライオスタットと呼ばれる真空断熱容器の中に収められている．従って液体ヘリウム槽への熱侵入としては，ふく射と伝導のふたつの経路がある．77K と 20K のふく射シールド板は，液体ヘリ
ウム槽への熱侵入量を低減するために装備される．
また極低温冷凍機（Cryocooler）はふく射シールド
板の冷却や，蒸発したヘリウムガスの再凝縮のために用いられる．従って冷凍・冷却技術の研究開発課題としては，クライオスタットの低熱侵入化，極低温冷凍機の高効率化，新たな冷却システムの実現，などが挙げられる．

図2

表1

Current Lead
Cryostat
Radiation Shield(77K)
Radiation Shield(20K)
Liquid Helium

Superconducting Coilクライオスタットの構造例

図 3 は超電導 MRI（磁気共鳴を用いた断層診断装置）である．1970 年代後半に初めて MRI による人体の映像化に成功してから急速に研究開発が進み，1980 年代半ば頃から超電導 MRI が世の中に出回り始めた．MRI では超電導マグネットを用いることにより均一な磁場空間をつくることが可能となった．一方磁気浮上列車では，超電導磁石のつくる強力な磁場により安定した浮上走行を可能とする．
超電導 MRI や磁気浮上列車の超電導磁石を収めているクライオスタットの構造は，基本的には
図 2 に示すものと同等である．
極低温システムの重要なキーコンポーネントのひとつである極低温冷凍機に関しても，少し説明をしておこう．表 2 は逆カルノーサイクルの成績代表的な低温液化ガスの沸点
Temperature

Boiling point of a typicalliquefied gas

Centigrade

Absolute
temperature(Freezing point)
KryptonNatural gas (methane)
OxygenArgon℃
0-153.4-161.5-183-185.9Ｋ
273.15
119.74111.6790.18887.26

Nitrogen-195.877.348Neon-246

27.102

Hydrogen (normal)-252.820.397

20K: Hydrogen temperature,liquid hydrogen temperature

Helium-268.94.2

4.2K: Helium temperature,liquid helium temperature

伝熱2007 年 1 月

Remarks

77K: Nitrogen temperature,liquid nitrogen temperature

図3- 69 -

超電導 MRI

J. HTSJ, Vol. 46, No. 194

プロジェクト Q
表 2 逆カルーサイクルの成績係数
TH=300K, Tc:それぞれの冷凍温度
Boiling point (TCK)(Freezing point)
KryptonNatural gas (methane)
OxygenArgon
Nitrogen
Neon
Hydrogen (normal)
Helium273.15
119.74111.6790.18887.26
77.34827.102
20.397
4.2

ＣＯＰCarnotHightemperature
heat source

１／ＣＯＰCarnot

0.664
0.593
0.43
0.41
0.347
0.099
0.073
0.0142

1.51
1.69
2.33
2.44
2.88
10.07
13.71
70.4

5.7

0.176

14

0.0714MagnetHeat switchⅠ

Magnetic
material(Reference)
Refrigerator
Air-conditioner

255 (coolingtemperature)
280 (coolingtemperature)

Heat switchⅡ

係数（COP）を示したものである．常温近くで動作する冷蔵庫やルームクーラーの COP は 5.7～14と高い．実際のシステムでは熱・機械的なロスが生ずるために，COP はこの値の半分から 1/3 程度に下がる．一方水素温度レベル（20K）やヘリウ
ム温度レベル（4.2K）の極低温冷凍機では，理想的な COP ですら 0.073～0.0142 と非常に低いことが分かる．実際のシステムではさらに一桁程度値が悪くなるため，極低温冷凍機の高効率化は重要な課題となる．

図4

3. 磁気冷凍機
日向で遊んでばかりいた私に，程なくして研究所長の荻原さんから新たな指令が下った．それは磁気冷凍機の開発であった．
ある種の磁性体に磁場を加えたり切ったりすると，磁気熱量効果により磁性体が発熱したり吸熱したりする．つまり気体を圧縮，膨張させる効果と同等の働きを，磁性体に磁場を印加したり，取り去ったりすることにより行わせるものである．
図４に磁気冷凍機の動作原理を示す．磁性体に磁場を加えて発熱させた状態で，高温側の熱スイッ
チをつないで排熱を行わせる．次に熱スイッチを切って磁場を下げることにより，断熱的に磁性体の温度を下げる．低温側の温度まで磁性体の温度が下がったところで，さらに磁場を下げながら低温側の熱スイッチを入れて等温的に熱交換させる．
熱スイッチを切って磁場を上げると，磁性体が断熱的に温度上昇して最初の状態に戻る．このようなサイクルを連続的に行わせることにより，磁気冷凍機が動作する．

伝熱2007 年 1 月

Lowtemperature
heat source- 70 -

磁気冷凍機の動作原理

磁気冷凍機はカルノーサイクルを描くことができるため，高効率化が見込まれる．一方，固体の磁性体から吸発熱を素早く行うには，伝熱の向上が重要な課題となった．
このテーマを進めるにあたっては，多くの方々の援助に恵まれることとなった．まず磁性の専門家である東工大応用物理学科の橋本魏洲（たかす）先生（故人）との共同研究がスタートした．社内
的には総合研究所金属セラミック研究所の佐橋政司氏（現在東北大）が逸早く磁気冷凍機の研究のスタートを聞きつけて，はせ参じてくれた．橋本研の大学院一期生の沼澤健則氏（現在物質・材料研究機構）始め多くの優秀な学生達が関わってくれた．研究所内では堀上徹氏（当時のグル―プ長，T

図 5 GGG（ガドリニゥム・ガリウム・
ガーネットの温度エントロピー線図

J. HTSJ, Vol. 46, No. 194

図プロジェクト Q
現在超電導工学研究所）が社外向けの技術展の候補に挙げてくれたため，いきなりかなりの研究費を確保することができた．
さらに 1982 年から 1986
年までの五年間にわたり科学技術庁より振興調整
費を得ることでき，実用化に向けて研究開発を進めた．
伝熱の観点からの開発ポイントはたいへん明確であった．つまり熱伝導率の高い磁性材料の開発と，磁性体表面からの熱伝達率の向上である．図5 に磁性体として用いた GGG（ガドリニゥム・ガ
リウム・ガーネット）の温度エントロピー線図を示す．この材料を用いて，印加磁場 0～6 テスラ，
温度 15～20K からスタートして液体ヘリウム温度（4.2K）まで冷却可能な磁気冷凍機の開発を行った．
図 6 はピストン内に埋め込まれた円筒状の
GGG 単結晶を，ソレノイド型の超電導磁石の中心
磁場とゼロ磁場を往復運動させる方式のピストン駆動方式冷凍機である．この他にも，超電導磁石側の磁場を上げ下げする静止型，磁場空間をルーレット状に配置された GGG 単結晶が回転しながら出入りする回転型，等を試作した．
図 7 はピストン型に用いた GGG 単結晶体を示す．図 8 の熱伝導率の違いを見れば，単結晶体の熱伝導率が充分大きいことが分かる．低温側の熱

図6

伝熱

図7

スイッチとしてはヘリウムガスの凝縮熱伝達，つまり一種のサーモサイホンの原理を用いた．一方，
高温側は GGG 表面とヒートシンクの隙間を狭く

図8

ピストン駆動方式磁気冷凍機

2007 年 1 月

GGG（ガドリニゥム・ガリゥム・
ガーネット)単結晶- 71 -

GGG（ガドリニゥム・ガリゥム・
ガーネット）の熱伝導率

J. HTSJ, Vol. 46, No. 194

プロジェクト Q
保つことにより（概ね 50 ミクロン以下），ごく薄
いヘリウムガス層を経由して単位表面積あたりの熱流束を高く保つことで排熱を行わせた．
これらの工夫により，動作温度範囲では対カル
ノー効率に対して 50%程度の効率を達成することができたが，より早いサイクルでは熱のはけが追
いつかなくなる事，超電導磁石が必要となること，などがネックとなり実用化までには至らなかったため，1979 年より開始した研究を 1987 年に終了させた．

もう少し順序だてて詳しく説明すると以下のようになる．当事，汎用の小型極低温冷凍機は GM（ギフォード・マクマホン）サイクル冷凍機であった．図 9 にクーラー・冷蔵庫と極低温冷凍機の動作原理の比較を示す．前者ではコンプレッサで圧縮された冷媒ガスが膨張機（実際には膨張弁）に導かれて膨張仕事を行う際に周囲から熱を奪う．
一方，極低温冷凍機では常温のコンプレッサに対して，膨張機の温度は 77K（一段膨張機），20K（二段膨張機）となるため，膨張した極低温の冷媒ガスをそのままコンプレッサに戻すことは効率が悪い．従って圧縮機と膨張機の間に蓄冷型の熱交換器を置く．蓄冷材としては常温～77K レベルには
銅メッシュ，77K～20K レベルには鉛の小球（200～300μ）を用いた（図 10）．また冷媒はヘリウムガスを用いる．
ここで注目すべきは，20K 以下では鉛の比熱（格子比熱）が急激に減少してしまうことである．従って二段膨張式の GM 冷凍機でも 10K 以下まで到達することはできなかった．橋本先生はこの温度レベルでも大きな磁気比熱を有する磁性体を鉛の代わりに用いたらどうかとおっしゃったわけである．もちろんこのようなアイデアや試行例は従来もあったが，どれもあまりうまくいってはいなかった．また我国の小型極低温冷凍機研究の第一人者である日大の松原洋一先生は否定的な見解を持たれた．しかしプロジェクトは「駄目でもともと」というような軽い気持ちで 1987 年よりスタートc

4. 磁性蓄冷材式極低温冷凍機
次に何をやろうかというような事を，橋本先生
や佐橋さんと相談していた．磁気冷凍は磁性材の磁気エントロピー変化を利用したが，そこで開発したいくつかの材料はゼロ磁場でも大きな磁気比熱を持っていることが認められた．橋本先生のア
イデアであったと思う．次は極低温域の蓄冷材の開発を行ったらどうかという事になった．さらに
幸運なことには，1984 年より強力な新人である栗山透氏（現在東芝電力・社会システム技術開発センター）が我々のチームに入って入社三年目とな
っていた．

T

図9

クーラー，冷蔵庫と極低温冷凍機の動作原理の比較伝熱2007 年 1 月

図 10 各種金属とヘリウムガスの
体積比熱の温度特性- 72 -J. HTSJ, Vol. 46, No. 194

プロジェクト Q

図 12 磁性蓄冷材エルビゥム 3 ニッケル
（Er3Ni）

図 11

同日三菱電機の極低温チームも同様の考え方に基き，三段の GM 冷凍機で 3.6K に到達したとの新聞発表を行った．三菱電機側の開発責任者の吉村
秀人氏（現在京大）始めメンバーはたいへん紳士的な方たちばかりにて，お互いにライバルであるにもかかわらず，その後長く技術的な交流を続けることとなった．
1990 年には佐橋さんのところにも斉藤明子氏（現在東芝研究開発センター）という強力な新人が入り，エルビゥム 3 ニッケルから始まり，各種磁性材を組み合わせることにより（図 13），冷凍機の性能は向上していき，到達温度 2K レベル，
1W 以上のヘリウム温度（4.2K）での冷凍能力を

二段膨張式極低温冷凍機

した．
磁気冷凍時代の磁性体の探索データがあったた
めか，佐橋さんのアイデアに基く最初の材料であるエルビゥム 3 ニッケル（Er3Ni）は比較的早く特定された．しかし金属間化合物で堅く，脆く，融点が高いため球状化の加工が難しかった．最初は金槌で塊を砕いたものを冷凍機（図 11）の二段蓄
冷器につめて実験をしたが，細かな微粉が出て冷凍機が止まってしまうため，とても性能を確認できる状況にはならなかった．
RDP（Rotating Disk Plate）法という方法が有効であった．雨の日に傘を回転させると，雫が飛び散るのと同様に，高速で回転している円板上に溶けたエルビゥム 3 ニッケルをたらすと，細かな液滴となって飛び散る．飛んでいる間に自己の表面
張力で丸くなるとともに，冷えて固まる．この方法で生成された球を図 12 に示す．一方，我々冷凍チームは実際に冷凍試験を繰り返しながら，蓄冷器内の冷媒流れの最適化，ピストンとシリンダー間の極低温シールの開発，バルブタイミング等の動作サイクル条件の最適化，などを行った．開発
開始から一年半あまり，1988 年の 11 月 18 日（秋の学会の前日）に二段 GM 冷凍機で 5.15K に到達したとの新聞発表を行った．さらに驚いたことに，

伝熱2007 年 1 月

図 13 各種磁性蓄冷材と鉛，ヘリウムガスの
体積比熱の温度特性- 73 -J. HTSJ, Vol. 46, No. 194

プロジェクト Q
得られるような実用レベル（1993 年）に到達していった．現在は住友重機が超電導 MRI 用の 4K 冷凍機として年間千台以上を世界中に供給するようになっている．残念ながら三菱電機も東芝も冷凍機自身の商品化はうまくいかなかったが，東芝は住友重機へ磁性蓄冷材料を独占的に供給している．
5. 冷凍機冷却方式超電導マグネット
磁性蓄冷材式 4K-GM（ギフォード・マクマホン）
サイクル冷凍機の実用化に伴って，その冷凍機を用いたいろいろな新製品が生み出された．冷凍機
冷却方式超電導マグネットもそのひとつである．
日大の松原先生の研究室でのやりとりが発端であった．松原先生の研究室はステンレスや銅のパイプや板が，足の踏み場も無いくらいに置かれていた．門外漢にはガラクタの山に見えるかもしれないが，我々から見ると宝の山である．先生はそれらの素材をご自分で加工，ロウ付けをして，いとも簡単に実験用の冷凍機をつくりあげる．
小さな銅製のボビンにテープ状の超電導線を巻いた手作りのコイルを先生が指し示していた．液体ヘリウムを使わずに，冷凍機でダイレクトに冷やすのだと言う．GM 冷凍機が 10K 位までしか冷えないので，ニオブ 3 スズ線（ニオブチタン線より超電導化する臨界温度の高い線材，ただし脆い

図 15 1 段パルスチューブ冷凍機
金属間化合物なので扱いにくい）を使っているのだと．そこでこう申し上げた．今うちで 4K まで
冷える GM 冷凍機を開発した．是非それを使ってください．線材もニオブチタン線にしましょう．
これが冷凍機冷却方式超電導マグネットのスタートであった．コイルが直径 10cm 程度の小さなものであったため，この実験は成功裏に終わった．
次に試作した本格的なマグネット（磁場強度 6 テ
スラ，常温ボア 18cm）が図 14 である（1993 年）．
その後，取扱が複雑な液体ヘリウムを扱うこと無しに，冷凍機の起動スイッチを入れるだけで超電導マグネットを使える冷凍機冷却方式は世界の超電導マグネットの定番となっていった，もちろん MRI にも，全てでは無いがこの方式は取り入れられている．
松原先生は何でも包み隠さず丁寧に教えてくださった．金属製のパイプに冷媒ガスを出し入れす
るだけで冷えるパルスチューブ冷凍機（図 15）の研究は先生の最も得意とするところであった．
現在は 4K-GM 冷凍機と並んで，パルスチューブ
方式は小型極低温冷凍機の主流となっている．
基礎的な現象の解明に関する冷凍機のシャトル
ロス，ドリームパイプ，ループ式ヒートパイプなどの研究は，東大生研の西尾茂文先生（現在東大副学長）に大いにお世話になった．当事大学院生であった稲田孝明氏（現在産総研）はパルスチュ
ーブ冷凍機やシャトルロスの実験と解析を行い，基礎的な知見の積み重ねや，ロス量の定量化のために大いに役立った．
6. 最近の開発状況
1998 年から 2004 年までは私が東芝内の環境関図 14 冷凍機冷却方式超電導マグネット伝熱2007 年 1 月- 74 -J. HTSJ, Vol. 46, No. 194

プロジェクト Q
係のセクションに移動となっていたため，極低温機器の研究開発から一時遠ざかっていたが，千葉大に移った 2004 年から再び研究に携わる事ができるようになった．
その間に特に常温域と液体水素温度域の磁気冷凍技術に関して進展があった．常温域では①1 テスラ以下の低い磁場で大きな磁気エントロピー変化が見込まれるランタン・鉄・シリコン系材料の発見，②永久磁石の高性能化による 1 テスラレベ
ルの磁場の達成，③能動的蓄冷方式磁気冷凍法（AMR, Active Magnetic Regenerator）の実現，などにより冷蔵庫やエアコンを磁気冷凍法で行えな
いかという機運が出てきてた．現在 JST（科学技術振興機構）からの予算により東芝研究開発セン
ターの斉藤さんと千葉大が協力して常温磁気冷凍の原理実証試験に取り組んでいる．
図 16 は AMR サイクルの概念図である．この場
合磁性蓄冷材と同様に，磁性材（ここではガドリニゥム）の小球をケースに詰めて蓄冷効果を持たせる．しかし磁性材は蓄冷作用を行うのみで無く，永久磁石の磁場の印加，除去に伴って同時に温度変化も生ずる．つまり磁性材は蓄冷材と磁気作業
物質の役割を併せ持つ．磁場の変化と同調して冷却用の水を往復動させることにより，高温端と低温端の間に温度勾配が生ずる．現状では 1 テスラの永久磁石を用いて最大 25℃の温度差を生じさせることができている．
一方来るべき水素社会の実現のためには，水素に関連するさまざまな技術の研究開発が急がれている．図 17 は BMW 社の進めているレシプロエン

Gd spheres

HT

ジンを用いた水素自動車である．燃料を容積効率の良い液体水素の状態で貯蔵することが特徴とな
る．BMW 社はこの乗用車を日本でも来年からリースを行うそうである．
水素に関連する研究開発は，大きく製造方法，
輸送方法，貯蔵方法などに分類できる．例えば国外で製造した水素を日本に運ぶことを考えると，
一旦液化水素にしてタンカーに載せて運ぶ方法が現実的となる．そのためには，水素の液化効率の大幅な向上が必要となる．このような観点から，物質・材料研究機構の沼澤さんと金沢大，大阪大，千葉大の協力の下，NEDO－エネ総研からの予算により，水素液化磁気冷凍機の研究に取り組んでいる（図 18）．現在は実際に水素の液化を行いカ
ルノー効率の 60%程度の効率を確認している．

Heat
transferfield

Cu-meshFlow

図 17 水素自動車 [25]

LT

(a)

O-ring

Temp．

ΔTmax

(b)
Position

図 16

伝熱AMR（Active Magnetic Regenerator）方式常温磁気冷凍機

2007 年 1 月

図 18 水素液化磁気冷凍機- 75 -J. HTSJ, Vol. 46, No. 194

プロジェクト Q
7. まとめ大きなマーケットを持つ領域では無いが，超電導システムへの応用を中心とする極低温システムの研究開発から事業化へ至る状況をまとめた．
磁気冷凍に関しては，ヘリウム冷却用のカルノー型小型冷凍機の開発を行い，技術的にもある程度のレベルに到達したが，更なる技術的かつ経済的な障壁の存在により事業化には至らなかった．
しかし，20 年近くの歳月を経て，新たに常温域での能動的蓄冷方式（AMR）の適用，水素液化用冷凍機への適用，などが試みられている．
磁性蓄冷材を用いた 4K-GM 冷凍機に関しては，開発から事業化まで到達することができた．ただし自社での冷凍機の商品化にまでは至らなかった．
当時を思い起こすと，開発はうまくいったが，製造や販売に関するノウハウ，経験が全く無いとこ
ろでいきなり商品化する事はなかなか難しかったという気がする．反対に住友重機にこれらの蓄積があったことこそが，現在の 4K-GM 冷凍機のナンバーワン企業となった要因ではないであろうか．
冷凍機冷却方式超電導マグネットは，従来の超電導マグネットの使い勝手を革新的に良くするものであったが，残念ながら新たに大きなマーケッ
トを生み出すものでは無かった．やはり MRI に続く，超電導マグネットの新たな応用製品の出現が望まれる．
最後に文中ではあえて実名で関係者をご紹介したが，研究開発においても人と人の繋がりや信頼関係が如何に大切であったかという事を，本稿を書きながら改めて痛感した．佐橋さんが昔「同じ志のあるなしが最も大切である」というような事を言われていた．ここにご紹介したメンバーはい
ずれも同じ志を持っている方々ばかりにて，だからこそ 20 年の歳月を経ても，すぐさま開発チーム
を再度組めたのではないだろうか．お互いに目標
は常に共通なのである．橋本先生の早いご逝去が，かえすがえす残念である．
参考文献[1] W.F. Giauque: J. Amer. Chem. Soc., 49, 1864
(1927).
[2] G.V. Brown: J. Appl. Phys., 47, 3673 (1976).

[4] 長谷田泰一郎 , 橋本魏洲: 夢の磁気冷凍技術 ,工業調査会 (1983).
[5] 大塚泰一郎, 橋本魏洲: 磁気冷凍, 未踏加工技術協会 (1984).
[6] H. Nakagome, et al.: Adv. Cryog. Eng., Vol.29,
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[7] 中込秀樹, 他: 駆動方式磁気冷凍機, 低温工学
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[8] H. Nakagome, et al.: Adv. Cryog. Eng., Vol.31,
753 (1986).
[9] 橋本魏洲 : 磁気冷凍と磁性材料の応用 , 工業調査会 (1987).
[10] 永野弘ほか：冷凍, 第 63 巻, 第 733 号, 28-137(1988)[11] T. Hashimoto, et al.: Adv. Cryog. Eng., Vol.33,
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[12] 松原洋一：日本大学博士論文, (1990)[13] T. Kuriyama, et al.: JJAP, Vol.31, L1206 (1992).
[14] 荻原宏康ほか：極低温のはなし，オーム社，(1994)[15] T. Kuriyama, et al.: Adv. Cryog. Eng., Vol.41,
1615 (1996).
[16] 荻原宏康 , 他 : 低温工学概論 , 東京電機大学
出版局 (1999).
[17] 中込秀樹, 他: 新編伝熱工学の進展, 第 3 巻,
極低温における伝熱: 養賢堂 (2000).
[18] 坪内崇典：修士論文，東京工業大学 創造エ
ネルギー専攻，(2000)[19] H.J. Mter Brake: Cryogenics, 42, 705 (2002).
[20] C. Zimm, et al.: 1st International Conference on
Magnetic Refrigeration at Room Temperature,
Montreux (2005).
[21] 小林忠彦, 他: 第 73 回秋季低温工学・超電導学会講演概要集, 176 (2005).
[22] 小林忠彦ほか：Gd 球を用いた磁気冷凍サイ
クルによる熱分離，第 29 回日本応用磁気学会学
術講演会概要集，(2005)[23] 沼澤健則: まぐね, Vol.1, No.7, 316 (2006).
[24] 斉 藤 明 子 , 小 林 忠 彦 , 辻 秀 之 : ま ぐ ね , Vol.1,
No.7, 308 (2006).
[25] BMW 社ホームページ(http://www.bmw.co.jp/jp/ja/index_highend.html).

[3] 信貴豊一郎ほか：低温工学ハンドブック，内田老鶴圃新社，(1982)

伝熱2007 年 1 月- 76 -J. HTSJ, Vol. 46, No. 194

International Letter

ミュンヘン便り
Grüß Gott aus München

小林 健一（明治大学）
Kenichi P. KOBAYASHI (Meiji University)e-mail: ken@isc.meiji.ac.jp
1. はじめに2006 年 4 月より一年間，在外研究の機会を得て，
ドイツ南部バイエルン州ミュンヘンにあるミュン
ヘン工科大学（Technischen Universität München：
TUM ） 熱 力 学 研 究 室 （ Lehrstuhls fürThermodynamik）にお世話になっています．これを機会にドイツの大学や周辺の最新の事情を紹介させていただきます．
2.ミュンヘン（München，英語表記では Munich）
ミュンヘンというと，まず思い出されるのがビール，「ミュンヘン，札幌，ミルウォーキー（古い！）」，そして美術や音楽です．いきなりビールの話からでは先が思いやられますが，ビールと芸術で有名なミュンヘンは，本場のアルプスの麓に位置し，BMW やジーメンスといったドイツを代表する企業の本拠地で，ドイツの中では経済的にも大変潤っている都市です．
アルプスを代表する自然にも恵まれ，町の中心に流れるイザール川や多くの湖，そしてなんとい2006 年サッカーワールドカップ開会式

市庁舎前のクリスマスマルクトっても多くのビヤガーデンが憩いの場を提供し，ドイツ人の住みたい町 No.1 だそうです．このため，アパート探しは，至難を極めるという弊害もあります．日本からも 9 月に開催されるビール祭り「オクトーバーフェスト」や 12 月のクリスマス市，また，ディズニーランドのモデルといわれるノイシ
ュバンシュタイン城とロマンティック街道巡りやオーストリアチロル地方への拠点として，多くの日本人が訪れます．2006 年にはドイツにてサッカ
ーのワールドカップが開催され，ミュンヘンでは開幕戦を始め多くの試合が行われました．

伝熱2007 年 1 月- 77 -J. HTSJ, Vol. 46, No. 194

International Letter

ミュンヘンはまた，学術都市としての側面もあり，学生数がドイツ最大級の総合大学（ Ludwig
Maximilians Universität：LMU）や音楽大学，トッ
プレベルの研究所（Max Planck Gesellschaft：教育などの義務から解放し研究のみに専任出来る研究者の天国）などがあり，約 10 万人の学生・研究者が暮らしています．総合大学の LMU には工学部はなく，ノイシュバンシュタイン城を建てたルー
ドヴィッヒ二世が設立したミュンヘン工科大学が，工学系の教育・研究を担っています．
ミュンヘンの気候は，夏は暑くなるものの乾燥していて過ごしやすい一方，冬は－20 度まで下がることもあるそうです．よく，北海道のような気候とたとえられます．ミュンヘン市内では，電気・水道・お湯・スチームが市内 2 カ所の工場から各家庭に供給さています．このため，各家庭でボイラーを持つ必要がなく，スチームのバルブを調整してさえおけば部屋の中は快適に過ごせます．ド
イツ人は環境対策の一環として，部屋の断熱にはたいへん気をつかっているようで，法律で壁の厚さや二重窓ガラスの利用が決められているそうです．また上水には，アルプスの天然水が消毒せずに供給されているそうで，多少硬いもののおいしい水を飲むことができます．このおいしいアルプ
スの天然水のおかげで，おいしいビールも造られるようで，市内には多くのビール工場があり，まさに工場直送のビールを提供しています．
ドイツ人に人気のあるミュンヘンですが，外国人も多く住んでいます．日本の企業も多数進出し二千人を超える日本人が近辺に住み，日本人学校
や日本食材店もあります．このため，渡独前は学生時代にドイツ語で苦労したので，どうなることかと心配していたのですが，役所への手続きや大きめのお店での買い物，アパートの契約に至るまで，英語だけで何とか対応できました．怪しげなドイツ語で話していると，相手から英語で答えが返ってくるくらいです．
3.ミュンヘン工科大学
前置きがずいぶん長くなってしまいましたが，本題の大学を紹介したいと思います．ミュンヘン
工科大学のキャンパスは，ミュンヘンの町中心部にあるメインキャンパスと，20km ほど北に位置しマックスプランク研究所の研究用原子炉がトレ

伝熱2007 年 1 月- 78 -

地下鉄駅構内のパネル プラントルのパネルもードマークのガーヒン（Garching）の二カ所に分かれています．全部で 12 の学科を擁し，機械工学
科は 1997 年に現在のガーヒンへ移ってきました．
プラズマ物理の研究所のそばのためか，市街地からは離れており，周辺には大学と研究所しかありません．昨年の 10 月には，ミュンヘンの中心マリ
エンプラッツ（Marienplatz）から地下鉄 U6 が直通で開通し（約 30 分）便利になりました．地下鉄の終着駅，Garching-Forschungszentrum の駅構内は，
ミュンヘンゆかりの研究者たち，アインシュタイ
ン（Albert Einstein），ディーゼル（Rudolf ChristianKarl Diesel），オーム（Georg Simon Ohm），レントゲン（Wilhelm Conrad Röntgen）らの功績をたたえるプレートで飾られています．
初めてミュンヘン工科大学機械工学科を訪れた
時，その規模にびっくりしたのを覚えています．
（今でも，驚きますが．
）なんでも，BMW が建ててそれを安く州が借り受けているとのこと．こんなところにもドイツにおける大学と企業との密接な関係が表れています．研究分野ごとに分かれた
7 つの建物・27 の研究室が，背骨のような通路で接続され全体として大きな一つの建物になっています．通路には，ジェット機の操縦席や自動車のフレームなどが展示され，学科の卒業パーティー
やシンポジウムの懇親会，美術展なども開催されます．

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International Letterになっているミュンヘン工科大学熱力学研究室の教授でした．こちらに来るまで知らなかったので，研究室の壁にヌッセルトやシュミットの写真と銘板があるのを見つけた時には，びっくりしました．
この研究室は，液化器で有名なリンデ社の創始者リンデ（Carl von Linde）が初代教授，その後，ヌッセルト，シュミットと続き，昨年 75 歳を迎え盛大に誕生パーティーが開催されたマインガー（Franz Mayinger），そして，現在のサテルマイヤー（Thomas Sattelmayer）と約 140 年の歴史があり，研究室の入り口には，1920 年にヌッセルトが実験に利用した装置が展示されています．
ドイツの大学における研究室の体制は研究室毎に異なるので一概にはいえませんが，現在の研究室 は ， 教 授 （ Lehrstuhlleitung ） 2 名 ， 教 員（Oberingenieure）2 名，研究室で研究に従事しているスタッフ（Mitarbeiter）約 30 名，ワークショ
ップ 10 名という大所帯で，このほかに，日本の修士号に相当する Diplom を取得するため研究室に来て研究をする学生が相当数います．
研究スペースは，大変ゆったりと設定されていて，各スタッフには，二～三人で一部屋，広い共有スペース，キッチンまで提供されています．研究室内に，機械工作と電子工作の専任スタッフがいて，まるで一つの学科ぐらいの規模があります．
研究スタッフは，Diplom 取得後各教授が公募するプロジェクトに応募して採用されます．このため，日本流でいうと，修士から博士に進学する際に，自分の取り組みたい研究内容に応じて研究室や大学までをも移籍する場合があるようです．研究スタッフの給料や研究費は，当初は教授の紹介で調達できるようですが，研究が進むに従い，自ら外部資金を獲得しさらに研究を進めるという形をとっています．

校舎の中にも，様々な展示があります
機械工学科の新入生は，約 800 人．一年生対象の科目では，授業する側もとても疲れると言っています．これらの学生が，全員スムーズに卒業できるわけではなく，3 分の 1 ぐらいしか卒業はできないようです．近年中国からの留学生が急増し，学科では 100 人ぐらいいるのではとのことです．
これに比べ，ドイツへ渡る日本人留学生はほとん
どが音楽，美術関係をめざし，理工系の留学生が減少しているそうです．一つには，言葉の問題（ドイツ語）が大きいのだと思いますが，研究室内の会話は英語だけでも問題なく，なんと言っても学費がほとんど無料（事務経費だけ）で，非常に良い環境で勉強できるので，積極的に留学を勧められてはいかがでしょうか．
4. 伝熱の殿堂？
ヌッセルト，シュミット，プラントル．
．
．これらの単語から伝熱関係者に連想されることといえば，無次元数ではないでしょうか．実はこれらの無次元数を考え出した人は，いずれもミュンヘンにゆかりがあり，ヌッセルト（Wilhelm Nußelt）とシュミット（Ernst Schmidt）は，ともに今お世話

歴代教授の肖像(左から順に Carl von Linde, Moritz Schröter, Wilhelm Nußelt, Ernst Schmidt, Ulrich Grigull, Franz Mayinger)
伝熱2007 年 1 月- 79 -J. HTSJ, Vol. 46, No. 194

International Letter

研究テーマは，燃焼，反応流，混相流，建物まわりのエネルギバランスに関するものと広範囲にわたり，いろいろな企業とテーマ毎に共同で，実験・数値シミュレーションとも最新の設備と環境で研究が実施されています．
このような環境において，筆者はドイツに多く見られる建築様式である二重ガラス外壁を持つ建物のエネルギシミュレーションを，CFD ソフトとエネルギシミュレーションソフトを連携させることにより高精度化する研究に取り組んでいます．
5. 最近のドイツ事情
昨年から今年にかけてのヨーロッパは，温暖化の影響だと考えられる異常気象続きで，なんでも1300 年ぶりの暖冬だそうです．アルプスでさえ雪不足のため人工雪の設備のあるところでしかスキーをできません．雪の季節が 2 ヶ月ぐらい短くなっているそうで，アルプス名物の氷河の衰退も顕著です．このままでは，アルプスでスキーができなくなるのではと真剣に心配されています．寒くて天気の悪い秋・冬に身構えていた雪国新参者にとって，少し拍子抜けしています．
このようなこともあって，ドイツでは環境問題に関する関心が非常に高く感じます．日本同様エネルギ資源の乏しいドイツでは，環境負荷の少ない再生可能エネルギの利用やコジェネレーションの活用が積極的に進められています．たとえば自然エネルギによる電力買い取り価格が高く設定され，自宅に設置した太陽電池で発電した電力を全て電力会社に売り，自宅で使う電力を電力会社から購入することにより，あっという間に設備投資の元が取れ，利益を生み出すようになるそうです．
日本において昨年末，メルセデス・ベンツがデ
ィーゼル車を導入し話題になりました．日本に入ってくるヨーロッパ車を見ていると，自然吸気でガソリンエンジンの高級車が目に付きますが，ヨーロッパでは，軽油の値段が安いわけではなくガ
ソリンとほとんど同じ価格であるにもかかわらず，
ターボディーゼル＋多段 AT の組み合わせの車に人気が集まり，ガソリン車は下取り価格も低くなっています．BMW のシルキー6 も，最新のターボディーゼルの前には魅力が無いようで，メルセデ
スだけでなく，どのメーカーの乗用車の販売においてもディーゼル車が圧倒的なシェアを握ってい伝熱2007 年 1 月- 80 -

ドイツ博物館の熱機関コーナー
ます．また，多くの日本車メーカーが，日本では未発表のディーゼル車をこちらでは販売しています．研究や開発の軸足も，ディーゼルエンジンやターボ機器に移っているようです．
ディーゼルエンジンというと，日本ではペット
ボトルに入った黒い粉を振り回した衝撃的会見のためか，環境問題の悪玉につるし上げられてしまいましたが，ヨーロッパでは燃費が良く環境負荷が少ないと，むしろ積極的に評価されています．
道路事情が日本と異なり，加減速が少なく走行距離が長いので，そのまま適用できるかはわかりま
せんが，日本でも近い将来ターボディーゼルの時代が来るかもしれません．
6. おわりに
ドイツで活躍した技術者たちの功績を調べるには，ミュンヘン中心部にあるドイツ博物館をお勧めします．ここは科学技術に関する博物館で，鉱業から宇宙まで，科学技術をさわって学べるような工夫が凝らされています．博物館を訪れると，蒸気機関やディーゼルエンジンなどの熱機関，飛行機や船などの実物が展示されていて，そのほとんどに触れることができます．ゆっくり見学するには一日ではとても足りません．
参考 Web サイト[1] ミュンヘン工科大学
http://www.tum.de/[2] 熱力学研究室
http://www.td.mw.tum.de/[3] ドイツ博物館
http://www.deutsches-museum.de/

J. HTSJ, Vol. 46, No. 194

シンポジウム・セミナー報告

キッズ・エネルギー・シンポジウム 2006 報告
Report on the Kids Energy Symposium 2006

青木 和夫（長岡技術科学大学）
Kazuo AOKI (Nagaoka University of Technology)
e-mail: aoki＠mech.nagaokaut.ac.jp
1. はじめに
日本伝熱学会主催で，科学研究費（研究成果公開促進費）の補助のもとで開催されている「キッズ・エネルギー・シンポジウム」も今回で８回目を迎え，各支部順送りの最後として北陸信越支部
での開催となりました．一巡を機にこれまでの開催経過を表 1 に示します．
今回は長岡技術科学大学が担当することになったが，スタッフが少ないこともあり北陸信越支部の大学・高専の先生方からもご協力いただき，さらに，東京電力との共催で柏崎発電所の方々のご協力も得ることができ充実した内容となりました．
本学会主催で行なっている行事であり，簡単な報告を書いてはとの要望があり，昨今の子供向けのイベントに対する一助にもなればとここに内容を報告するものです．

表１．開催経過
開催年度

開催日

平成11年

8/27(土)シンポジウム名

担当支部

開催場所

関西

大阪大学コンベンションセンター

キッズ・エネルギー・シンポジウム

平成12年 11/11(土)

キッズ・エネルギー・シンポジウム2000

九州

九州大学筑紫キャンパス

平成13年 11/10(土)

キッズ・エネルギー・シンポジウム2001

東海

中部電力でんきの科学館

平成14年 10/12(土)

キッズ・エネルギー・シンポジウム2002

東北

米沢市置腸総合文化センター

平成15年

11/ 8(土)

キッズ・エネルギー・シンポジウム2003

関東

川崎市東芝科学館

平成16年 11/13(土)

キッズ・エネルギー・シンポジウム2004

中国四国

中国電力うちさんげ電気ビル

平成17年

9/24(土)

キッズ・エネルギー・シンポジウム2005

北海道

北海道大学工学部

平成18年 11/18(土)

キッズ・エネルギー・シンポジウム2006

北陸信越

長岡技術科学大学

表２．プログラム概要
10：00～10：15
10：15～10：30

受 付
一日の予定と進め方の説明
お話と公開実験

10：30～12：00

１）エネルギーとは何？
２）地球温暖化はなぜ起こる？
３）生活の中の熱

12：00～13：00

昼 食
公開実験・体験コーナー
A室：実験教室「大気圧」

2.プログラムと概要
今回は平成 18 年 11 月 18 日（土）に開催された．
プログラムは表２に示すように，(1)お話と公開実
験，(2)公開実験・体験コーナー，(3)工作実習の３
つのセッションに大きく分けられている．
(1)お話と公開実験
午前中のこのセションには，「エネルギーとは」「地球温暖化はなぜ起こる？」「生活の中の熱」の３つのテーマが設定され，実験をまじえながらそれぞれのテーマについて話が展開されました．
最初の「エネルギーとは」では，瀧本先生（金沢大）の代理として寺西先生（富山高専）がエネ
ルギーの意味，くらしとの係わり，重要性について，子供に興味を持たせながらクイズをまじえて楽しく展開され，話の進め方は出色でした．
「地球温暖化はなぜ起こる？」では，山田先生（長岡技科大）が地球温暖化と都市温暖化のメカ
ニズムと現状について，二酸化炭素による温暖化
実験と電球を用いた都市の温暖化実験を巧みに挿伝熱2007 年 1 月

B室：いろいろな発電
13：00～15：00「水力発電」「火力発電」「原子力発電」「燃料電池発電」「熱電発電」「光発電」その他
C室：熱の玉手箱（熱のおもしろ実験とクイズ）「液体窒素と風船による気体の収縮・膨張実験」「ポンポン船」「太陽風車」その他

15：00～16：00

工作実習「ソーラーカー」

入されながらお話を展開された．図 1 に示す光による二酸化炭素を充填した容器内の温度上昇実験
は，簡単ではあるが二酸化炭素の温室効果が実感できるものであった．
「生活の中の熱」では，青木が電子レンジとの関連でマイクロ波加熱の原理と利用について水分含有が加熱に及ぼす影響を含めてお話した．さらに，乾湿球温度計と関連させて水飲み鳥の原理を簡単に説明した．子供達より，マイクロ波加熱は料理の関連でお母さんに，水飲み鳥は昔なつかし
いお父さんに受けたようだった．

- 81 -J. HTSJ, Vol. 46, No. 194

シンポジウム・セミナー報告(2)公開実験・体験コーナー
午後からのこのセッションは，A「実験教室」B「いろいろな発電」，C「熱の玉手箱」の３つの部
屋からなり，参加者も３つのグループに分かれて少人数でそれぞれの実験および機器を順々に体験してもらった．
A 室は大気圧の実験教室で，東京電力柏崎発電所の方々が担当された．図２に示すようにクイズをまじえながら，減圧による大気圧に関係する６つの実験が楽しく紹介された．容器に入れたマシ
ュマロや風船が減圧により大きくなる様子が示され，大気圧を実感するとともに子供たちの興味をそそった．
B 室は発電を主テーマにし，水力発電，火力発
電，原子力発電，燃料電池発電，熱電発電，光発電の６つの発電模型を準備した．前３つの発電模型は東京電力からの提供によるもので，実際的な模型を用いて現状の発電メカニズムを平易に説明された．後３つは今後の新しい発電方式であり，大学院生にそれぞれの原理を説明してもらうとともに，小型模型を用いた発電によりプロペラを回して，子供たちに発電を実感してもらった．
C 室は熱の玉手箱で，永井先生（福井大），寺西先生（富山高専），松原先生（新潟大学）が担当された．液体窒素と風船による気体の収縮・膨張，ポンポン船，太陽風車，その他種々の熱のおもし
ろ実験を夜店風に展開して楽しんでもらった．液体窒素冷却による風船の収縮・膨張実験は単純であるが子供たちの興味をそそるものであり，太陽
風車は切り取り図面が添付されており，子供たち
は帰宅後にも製作して楽しんだようです．

図１．二酸化炭素の温室効果実験

図２．実験教室「大気圧」(3)工作実習
最後の工作実習では，ソーラーカーの製作と試走を行なった．ソーラーカーをドライバーとニッパを用いて作るもので，その様子を図 3 に示す．
子供たちには簡単すぎるのではと危惧したが，低学年の子供たちも多かったせいか，手ごろな工作となった．日が暮れて太陽の光では無理なので，ハロゲンランプの照射によりソーラーカーを走らせた．太陽電池の働きを実感するとともに，自分で作ったものが動いたことの満足感から大騒ぎのうちに時間が過ぎた．アンケートからも，工作実
習が一番楽しかったとの意見が多く聞かれた．

伝熱2007 年 1 月

図３．ソーラーカーの工作状況
3. 終わりに
長岡でのキッズ・エネルギー・シンポジウム
2006 の概要を簡単に紹介しました．開催の準備や参加者の確保に幾分苦労しましたが，このようなイベントを毎年実施してほしいとの暖かい言葉も多く戴き，関係者一同満足しているところです．
最後に，北陸信越支部，東京電力，長岡技術科
学大学の関係された皆様に深く感謝いたします．

- 82 -J. HTSJ, Vol. 46, No. 194

シンポジウム・セミナー報告

九州伝熱セミナー in 武雄

報告

Report of Kyushu Heat Transfer Seminar in Takeo

光武 雄一（佐賀大学）
Yuichi MITSUTAKE (Saga University)
伝熱学会九州支部主催の九州セミナー
が１１月１０日 (金 )と１１日 (土 )の２日間の日程
で佐賀県の武雄温泉で開催されました．今回は，「巧みの世界―この道一筋：次世代に託す」と題して，長年伝熱研究に携われてきた３名の先生方にこれまでの研究の回顧，後進に対する期待などについて語っていただく特別講演会を初日に実施しました．翌日は伊万里市にある佐賀大学海洋エネルギーセンターの研究施設の見学会と伊万里焼の窯元巡りの小旅行の企画を実施しました．なお，特別講演会の講演題目および概要は，最後にまとめて記しておきます．
当初参加申し込みの出足が鈍く，目標の参加者数に届くか幹事として心配しましたが，幸いにも支部の評議員の先生方をはじめの多数の方々のご協力もあり，特別講演者を含めた一般３４名，学生２０名の合計５４名の参加者となり，セミナーを盛会のうちに終えることができました．この紙面をお借りして，特別講演を快く引き受けていた
だいた先生方，見学会にご協力いただいた海洋エネルギーセンターおよび参加者各位に改めてお礼
申し上げます．

の研究では，その作動原理と構造について参加者の興味を引いていました．
「熱物性測定へのこだわり」
九州大学先導物質化学研究所融合材料部門
藤井 丕夫 教授
液体・固体の熱物性値測定についての研究内容と成果について，時代を追いながら説明がありました．講演では，T 字一体型センサーによるカー
ボンナノチューブの熱物性値測定をはじめ大きな成果を上げられた研究のみならず，液体の熱伝導率測定用微小球センサー製作の苦労話，微少重力下での溶融炭酸塩の物性値測定での挫折（注：後年，その経験に基づき反応性と電気伝導性に富む
溶融塩の熱物性測定法を確立されている）などの貴重な経験談を聞くことができました．
「界面現象：大学：これまでと今後」
九州大学先導物質化学研究所所長
今石 宣之 教授
気液界面および固気界面で生じる様々な現象についての研究内容とその成果について講演がありました．熱・物質伝達が生じている気液界面上でのマランゴニ対流の発生条件，表面活性剤を添加した LiBr 水溶液界面への水蒸気吸収過程の不安
定流動発生メカニズム，チョコラルスキー法によるシリコン単結晶成長プロセスの溶融シリコン内で生じる振動流などのトピックスが取り上げられた．ビデオ映像やシミュレーション結果のアニメーションを用いた講演は，学生だけでなく一般の参加者に対しても複雑な界面現象の理解に役立ったようです．最後に，大学において管理運営する立場から研究費獲得，教員の人材育成，業績評価，
伝熱学会への期待などについての意見も述べられました．

【特別講演】「熱サイフォン及びヒートパイプの研究４０年」
熊本大学工学部知能生産システム工学科
井村 英昭 教授
熱サイフォンおよびヒートパイプの作動原理とその歴史についての概説に続いて，一連の研究テーマの中から，開放型熱サイフォンの沸騰熱伝達率，二相密閉型熱サイフォンの沸騰熱伝達・凝縮
熱伝達・限界熱流束・ガイセリング現象，トップ
ヒート型熱サイフォン，平板型ヒートパイプについて，それぞれの研究内容と成果についての講演があった．特に，浸透圧や蒸気圧を利用して重力と逆方向への熱移動に限定されている熱サイフォ
ンの常識を打ち破るトップヒート型熱サイフォン伝熱2007 年 1 月- 83 -J. HTSJ, Vol. 46, No. 194

r t Transfer
Hea<

伝熱と季語

r t Transfer
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Heat Transfer and Season Phrase

前野 一夫（千葉大学）
Kazuo MAENO (Chiba University)e-mail: maeno@faculty.chiba-u.jp
伝熱現象が人間の生活環境と密接に結びついたところから研究されはじめ，伝熱学が 18 世紀頃までのヨーロッパにおける物理数学的理論解析法の進展を背景に，産業革命と共に最初の花を開かせたことを思うと，現代の発達した科学技術社会においても，人間が生活をしている限り伝熱現象と伝熱工学は人間の感覚や生活観と密接に繋がっていると言えよう．このコラム（hea'r't transfer）では，これまで様々な方々が興味深い記事を書いてこられたので，私は昨年の四月号で高津先生がご執筆された記事に触発されて，一寸工学から離れた視点から日本人の生活観と伝熱とのかかわりを記してみようと思う．未熟ながら私自身が数年前からインターネットで俳句を齧りはじめた事もあって，日本の定型俳句において通常用いられ，
日本人の季節感を表していると言われる俳句歳時記（季語で構成される語彙）の中から，伝熱に関連すると思われる季語をピックアップしてみた．
その結果，伝熱現象における，熱伝導，対流熱伝達（凝縮や凝固などの相変化を含む），熱放射の大きな３分類に対応しており，かつ人間の皮膚感
覚や生活季節感覚と密接に結びついた季語がかな
り見出された．春夏秋冬の順にそれらを俳句例と共に記してみたい．
まず春の季語では，やはり氷や雪が解けたり（流氷，雪解），熱伝導や輻射で暖かさを感じたり（春日，暖か），寒さをまだ感じたり（冴返る），温度
境界層と自然対流の存在により光が屈折する現象
を人間が感じたりする言葉（陽炎，逃げ水，蜃気楼）が見受けられる： 流氷のへりより氷柱垂れゐたり（林 徹），雪解雫教室に鳩飼つてゐる（沢木欣一），どの箱も番の兎あたたかし（大平栄子），
春日吸う石にすはりて石屋の子（柏 禎），冴返る
止まりしままの古時計（中川雅雪），陽炎の彼方ビ
ル建つ彼方のこと（原子公平）
夏の季語においては，太陽放射や暑さに関連した言葉（炎天，炎昼，炎暑，灼く）や，水滴による光の屈折（虹），あるいは暑さへの対策としての季語（打ち水，冷房，氷水）などがある．それぞれ猛暑が身に迫ってくるものが多い： 暑き故ものをきちんと竝べをる（細見綾子），炎昼の杉刈るほかは匂ひなし（石沢蟹城子），夾竹桃灼くるロー
マの闘技場（堀 古蝶），群青のニライカナイへ伝熱2007 年 1 月

虹の橋（西脇順二郎），不忍池より水汲みて打ちにけり（棚山波朗），一本の木もなき街の氷水（細見綾子）
秋は意外に伝熱に関連する季語が少ないようである．空や木や鳥など他のものに秋を感じることが多いためであろうか．大気温度の低下に伴う凝縮などの相変化を表す季語（霧，白露，露）などがいくつか見受けられた：霧深き浜に昆布を引きし跡（稲川静江），寒露けふ蟻の曳きゆく蝶の翅（牛島美知子）
これに対し，冬はやはり寒さが身にしみる季節であるため，伝熱と関連する季語が多く見受けられる．温度を端的に表す言葉（寒し，冷たし）では，寒しは大気の温度が中心で熱通過を漠然と表しているのに対し，冷たしは膚に感ずる感覚で皮膚への熱伝導を表現しているように思われる：
寒少しゆるびし町で紅を買ふ（池田幸子），冷たさ
よ仰臥の涙耳に入る（森崎はつ子）．また，相変化を表す言葉も多い（息白し，霜，霜除，霧氷，凍る，霜柱，氷，氷柱，雪，地吹雪），さらに凍結乾
燥を表す言葉（凍豆腐）も見受けられる： 白き息いれて折鶴蘇る（浅野長江），音のして家引き締る霜夜かな（滝沢伊代次），鹿の径凍りしままに日の暮るる（飯隈球子），鴨らしずかに氷のふちに乗りならぶ（西垣 脩），凍豆腐産着と並び干されをり（小島美恵子）．
一方，これらの言葉が表す冬の寒さに対しては，
ストーブ，ペチカ，温突（オンドル），手焙（てあぶり），行火（あんか），湯婆（ゆたんぽ），暖房や着衣など断熱・防寒手段を表す言葉も見受けられ，昔から寒さに対して日本人が工夫を重ねてきたことがわかる．もちろん，寒さ対策の有効手段の一つはアルコールであろう（熱燗，寝酒）： 妻をらぬ寝酒を猫に見られをり（広瀬一朗）
伝熱工学は，これからも電子集積回路や生物工学に関連するナノテクノロジーの研究開発進展に伴って，次の飛躍的発展段階を迎えることは間違いがないと考えているが，将来そこから生まれる
新しい言葉が，人間社会に認められフィードバッ
クし，新しい生活感覚と結びついて新しい季語となってくることを思うと，今から楽しみである．
炎帝や裸眼の翡翠研磨工（前野一夫）- 84 -J. HTSJ, Vol. 46, No. 194

Library

花火学入門
編著：吉田忠雄、丁大玉
発行：プレアデス出版
総ページ：265 ページ
本体価格：2,500 円

永井 二郎（福井大学）
Niro NAGAI (University of Fukui)e-mail: nagai@mech.fukui-u.ac.jp

1. 経緯と花火大学院（足利工業大学）紹介
本誌前号に，私は青木先生（長岡技科大）との共著で，花火の原理の解説と長岡大花火の紹介記事を執筆しました（詳しくは，“花火 －その原理と大玉紹介－”，伝熱 Vol.45, No.193 (2006), pp.71-74. を参照）．執筆前に何冊か花火の専門書をざっと読み，自分では花火の原理をおおまかに把握したつもりで執筆しました．心のどこかでは不安を感じつつ・・・．
11 月下旬，足利工業大学・学長の吉田忠雄先生より，上記花火原稿の感想と温かい励ましのお言葉をメールで頂きました．同時に，私は初めて以下のことを知りました．
①足利工業大学が 2006 年 4 月から通称「花火大学院」を開設したこと．正式には，工学研究科機械工学専攻の煙火学専修（花火は正式には煙火という）．
日本で唯一の煙火学専修大学院で，世界でも例がない．花火についての科学的・工学的・社会的知
識と実務資格をもった煙火技術者やマネージャ
ーを育成することを目的とする．詳しくはホーム
ページ http://www2.ashitech.ac.jp/fireworks/ 参照．
②吉田先生と丁大玉先生の編著で，（ここでご紹介する）花火学全般を網羅した専門書「花火学入門」
が 2006 年 10 月に発刊されたこと．

「花火学入門」表紙

伝熱2007 年 1 月- 85 -

私は，「花火大学院」という世界的な教育研究組織が日本にあることを知らず花火の原稿を執筆したわけで，背中に少々冷汗が流れました．吉田先生にお詫びの返信をしたことは言うまでもありません．
2. 概要紹介
肝心の「花火学入門」の紹介です．吉田先生は巻頭で，本書は花火学の高度な専門書と花火鑑賞手引
きの類の本の中間をいく本である，と書かれています．確かに花火の専門家にとっては文字通り入門書
なのかも知れませんが，専門外の人間にとってはこの本一冊で花火の全てが分かります．以下，目次の章タイトルを抜粋しました．
＜目次より＞ 概説，花火の歴史，花火の種類と形，花火の色彩学（色の芸術，花火の発光・発色），
花火の音と煙，花火の製造，火薬類と花火の法令，
花火の燃焼，花火の弾道（筒内弾道，筒外弾道），花火の安全，花火の写真撮影
後半の燃焼や弾道解析の章では，熱力学の基本的な解説に始まり，燃焼解析，筒内の圧力・温度変化の熱力学的解析，筒外弾道の運動力学的解析（風や空気抵抗の影響を含む）が解説されており，伝熱屋にとっても大変親近感のある興味深い部分です．もちろん，前半の花火の仕組みや歴史，製造方法等も普通の人は知らないことばかりで，一気に読み進むのではないでしょうか．
何事も，その仕組みや背景を知っているかどうかで，楽しみも違ってきます．例えば，自動車の構造や原理を知っているかどうかは，ドライブの楽しみ方やいざ故障という時の対処方法に大きな違いが生じます．この本を通じて，花火の仕組みや製造方法
さらには歴史的な背景等を理解すれば，夏の夜空の風物詩「花火」をこれまでより１０倍は楽しむことができるでしょう．

J. HTSJ, Vol. 46, No. 194

行事カレンダー

行事カレンダー本会主催行事開催日
2007 年
5月
22 日(火)～25 日(金)

行事名(開催地，開催国)
第 44 回日本伝熱シンポジウム
長崎ブリックホール

申込締切

原稿締切

’07.1.19’07.3.12

申込締切

原稿締切
’06.9.4

問合先
第 44 回日本伝熱シンポジウム実行委員会
長崎大学工学部 機械システム工学講座内
Tel & Fax: 095-819-2527,
E-mail: nhts44@celcius.mech.nagasaki-u.ac.jp
http://nhts44.mech.nagasaki-u.ac.jp
委員長 茂地 徹，庶務幹事 桃木 悟

掲載号
2006.10
2007.1

本会共催，協賛，後援行事
開催日
2007 年
1月
3 日(水)～
6 日(土)
1月
23 日(火)International Conference on Thermal Issues in
Emerging Technologies: Theory andApplications (ThETA)’06.7.3

第 35 回ガスタービンセミナー’06.10.31

Gas Turbine Society of Japan〒160-0023 新宿区
西新宿 7-5-13-402 Tel 03-3365-0095，Fax 0387,
E-mail: igtc@rainbow.dti.ne.jp,
http://www.soc.nii.ac.jp/gtsj/igtc

1月

23 日(火).～25 日(木)自動車空調技術総合レビュー20072月

1 日(木),2 日(金)

Mate 2007 13th Symposium on "Microjoining
and Assembly Technology in Electronics"
パシフィコ横浜

web にて申込
http//www.js
ae.or.jp/even
t_01.php’06.9.4
(専用申込
書有)

3月

7 日(水)～
9 日(金)

第 56 回理論応用力学講演会

4月

4 日(水)
6 日(金)

国際会議 ICCM 20075月.

22 日(火)～24 日(木)第 12 回 日本計算工学会講演会

6 日(月)～
8 日(水)

日本実験力学会 2007 年度年次講演会

自動車空調総合レビュー2007 事務局 (株)相鉄
エージェンシーコンペンション課内 〒221-0052 横浜市神奈川区栄町５−１YCS5F
TEL045-450-1831 Fax045-441-8444 E-mail:jsae2007-mac@soag.co.jp〒101-0025 東京都千代田区神田佐久間町
1-11(社)溶接学会 MATE2007 事務局 Tel
03-3253-0488，Fax 3059, E-mail:s_kogure@tt.rim.or.jp,
http://www.soc.nii.ac.jp/jws/research/micro/Mate20
07.html〒106-8555 港区六本木 7-22-34 日本学術会議事務局参事官(審議第二担当)付佐野和子・藤井真
木子・佐伯真奈美 Tel 3403-1056 Fax 1640 E-mail:s253@scj.go.jp
ICCM2007 実行委員会事務局 岡澤重信 広島
大学大学院工学研究科 社会情報システム専
攻内〒739-8527 広島県東広島市鏡山 1-4-1
E-mail:iccm2007@hiroshima-u.ac.jp
Fax:082-422-7194 Web：http://home.hiroshima-u.ac.jp/iccm2007/〒101-8449 千代田区神田錦町 3-24 住友商事神保町ビル(株) ICS コンベンションデザイン気付
日本計算工学会講演会事務局
TEL03-3219-3541 FAX03-3292-1811 E-mail:jsces@ics-inc.co.jp〒338-8570 さいたま市桜区下大久保 225
埼玉大学大学院理工学研究科富岡了TEL048-858-3459,FAX9197,E-mail:toyooka@env.
gse.saitama-u.ac.jp

23 日(日)～
26 日(水)
2 日(日)～
7 日(金)

8月

9月

12 月

伝熱

行事名(開催地，開催国)’06.11.20’07.1.31’07.4.16’07.6.8

No. 07-201 国際会議 第 13 回国際スター
リングエンジン会議’07.2.15’07.5.15

第 9 回国際ガスタービン会議(京王プラザホテル 東京都新宿区)’06.12.31

2007 年 1 月- 87 -

問合先
http://www.thetaconf.org
国内連絡: 中山 恒
E-mail: watnakayama@aol.com

掲載号
2006.4担当 エンジン部門滝本真也 〒160-0016 新宿区信濃町 35 番地信濃町煉瓦館 5 階 Tel
03-5360-3500, Fax 3508, http://jsme.or.jp
Gas Turbine Society of Japan
Fax: +81-3-3365-0387,
E-mail: igtc@rainbow.dti.ne.jp,
http://wwwsoc.nii.ac.jp/gtsj/2006/IGTC2007.pdf

J. HTSJ, Vol. 46, No. 194

お知らせ

第 44 回日本伝熱シンポジウムのご案内
日： 平成 19 年 5 月 22 日（火）～ 5 月 25 日（金）5 月 22 日（火）16:00 参加者受付開始, 17:00～20:00 ウェルカムパーティー
5 月 24 日（木）19:00～21:00 懇親会（会場：グラバー園）
会
場： 長崎ブリックホール（〒852-8104 長崎市茂里町 2-38，TEL:095-842-2002）
シンポジウムホームページ： http://nhts44.mech.nagasaki-u.ac.jp
開催

シンポジウムの形式：
・今回のシンポジウムでは，特別にオーガナイズされたセッションを除いて，すべての一般講演発表をポス
ターセッション形式で実施します．
・1 つのセッションの基本的な構成は以下の通りです．
15 件の発表を A,B２つのグループに分け，A グループ（8 件）のショートプレゼンテーション（各 3 分），
A グループの総合討論（8 分），B グループ（７件）のショートプレゼンテーション（各 3 分），B グルー
プの総合討論（7 分）を実施します．その後 90 分のポスター発表を実施します．ポスター発表の前半の 45
分では，A グループの発表者は必ずポスターの前で質問・討論に対応して頂きますが，B グループの発表
者は同一セッション内の研究発表者に対して質問・討論を行う事ができます．後半の 45 分では，B グルー
プの発表者は必ずポスターの前で質問・討論に対応して頂きます．
研究発表申込締切：
論文整理費払込締切：
論文原稿締切：参加事前申込締切：

平成 19 年 1 月 19 日（金）平成 19 年 2 月 2 日（金）平成 19 年 3 月 12 日（月）平成 19 年 4 月 13 日（金）講演登録および参加費用等：
・論文整理費：3,000 円
・シンポジウム参加費：
一般（事前申込：8,000 円，会場申込：10,000 円）
学生（事前申込：4,000 円，会場申込：5,000 円）
・講演論文集：伝熱学会会員：無料（CD-ROM 版，冊子版共にシンポジウム参加者に当日手渡しいたします． 参加
されなかった会員へは，後日，CD-ROM 版のみを郵送いたします．）
非会員：8,000 円（CD-ROM 版＋冊子版，会場受付で伝熱学会に入会申込される場合は無料になります．
）
・懇親会参加費：
一般（事前申込: 8,000 円，会場申込: 10,000 円．夫婦同伴者 1 名無料）
学生（事前申込: 4,000 円，会場申込: 5,000 円）
交通と宿泊について：・シンポジウム開催時期の長崎は，修学旅行シーズンと重なるため，直前の宿の予約が困難になると予想されます．お早めに宿を手配されることをお勧めいたします．
・交通と宿泊につきましては本シンポジウムのホームページをご参照ください．

伝熱2007 年 1 月- 88 -J. HTSJ, Vol. 46, No. 194

お知らせ

研究論文原稿の執筆要領，提出方法など：【講演論文集について】
・ 講演論文集として，オフセット印刷版（白黒）と CD-ROM 版を作製します．
・ オフセット印刷版の講演論文の長さは，1 題目あたり A4 サイズで 2 ページとします．論文の作成フォー
マットは前回と同様，「2 段組×片側 26 字×60 行」です．MS-Word 用のテンプレートを作成してホームページへ掲載しますので，MS-Word を使用される場合はこのテンプレートのご利用をお願いします．
・ CD-ROM 版には，オフセット印刷版と同じものか，または 8 ページ以内のフルペーパーを掲載することができます．様式はオフセット印刷版と同じですが，カラーの使用が可能です．ファイル容量は最大で 2 MBまでとし，アニメーションを挿入することはできません．
・ 本シンポジウムの CD-ROM 版に掲載された論文を，本学会の論文集“Thermal Science and Engineering”（以下 TSE）へそのまま投稿できます．希望される場合は，原稿提出時にその旨お知らせください．その際，TSE の投稿規定をご一読願います．査読は，CD-ROM 版に掲載された講演論文をもとに，TSE 編集委員会において担当エディターを定め，通常の手順に従って行われます．オフセット印刷版の講演論文（2 ページ）のままでも TSE 投稿原稿として受け付けられますが，8 ページ以内でより詳しく執筆されるほうが，その後の査読がより円滑に進みます．掲載可となった後に，TSE のテンプレートに従って書き直しの指示があります．なお，本システムで TSE へ投稿された場合，論文受理日は伝熱シンポジウム実行委員会での受付日になります．
・ 論文原稿は，シンポジウムホームページより PDF ファイルで提出していただきます．PDF ファイルで提出できない場合には，論文整理費のほかに別途変換作業料（1 件につき 3,000 円）を申し受けて，実行委員会が PDF 化を代行します．
・ 原稿提出締め切りは厳守してください．
締切りまでに提出されなかった論文は講演論文集および CD-ROMに掲載されませんので，十分ご注意ください．
・ PDF ファイルを作成する際は，フォントや画像などを PDF ファイルに完全に埋め込み，どのパソコンでも同様に表示・印刷できるように PDF 変換ソフトウェアを設定して下さい．講演論文集掲載時の諸問題については原則として著者の責任とします．
・論文題目と著者名が，講演申込データと論文とで相違しないように特にご注意ください．
【講演論文集の発行日】
・ 事前参加登録された方を対象に，シンポジウム開催日 1 週間程前からシンポジウム開催期間中まで，
CD-ROM 版と同等の内容をシンポジウムホームページで閲覧できるようにします．
・ 特許に関わる講演論文につきましては，公知日はシンポジウム開催期間よりも 1 週間程前となりますのでご注意ください．
【ポスターおよびショートプレゼンテーション】
・ショートプレゼンテーション用のスライドは PDF ファイルでご用意ください．ショートプレゼンテーショ
ン用の液晶プロジェクタとパソコンは実行委員会で用意します．講演を円滑に実施するため，ショートプ
レゼンテーション用の PDF ファイルを予め提出していただきます．
・ポスターおよびショートプレゼンテーションの詳細はシンポジウムホームページに掲載します．
【その他】
・研究発表申込の取消，および締切り後の論文原稿の差替は，準備と運営に支障をきたしますのでご遠慮ください．
・論文原稿の返却，別刷の配布はいたしません．
・参加登録費，懇親会費等は取消の場合でも返金いたしません．
・その他ご不明な点がありましたら，実行委員会まで FAX または E-mail でお問い合わせください．

伝熱2007 年 1 月- 89 -J. HTSJ, Vol. 46, No. 194

お知らせ【JST データベース用講演論文集抄録提出のお願い】
本シンポジウムで発表される論文は，すみやかにかつ広く引用されることを目的として，その抄録が科学技術振興機構（JST）のデータベースに収録されます．つきましては，研究発表論文入稿の際に，シンポジウ
ムのホームページ上から JST 提出用情報の入力をお願いします．この際，新たに和文抄録の作成が必要となりますが，ご協力をお願いいたします．
【研究発表論文原稿の書き方】
研究発表論文は以下に示す要項に従って作成してください．また，詳細はシンポジウムホームページをご参照ください．
表題パート：表題パートは，下図に示すように和文表題，和文副題，英文表題，英文副題，和文著者名（会員資格，著者名，所属の略記），英文著者名，英文所属機関・所在地，英文アブストラクト，英文キーワー
ドを，段組せず幅 150mm に収まるようにレイアウトしてください．連名者がある場合には，後援者の前に＊印をつけてください．英文の所属機関・所在地は，複数の場合には上付き数字で区別してください．論
文表題および著者名は，申し込みデータと同じものを同じ順序でお書きください．申し込みデータと異なる場合は目次や索引に反映されないことがあります．

第 44 回伝熱シンポ原稿の書き方（和文表題：Gothic 14 ポイント）
MS-Word の場合（和文副題：Gothic 12 ポイント）
The rules for the manuscripts (English Title: Times New Roman 12pt)
The case of MS-Word (English Subtitle: Times New Roman 12pt)（1 行あける）
伝正 ＊伝熱太郎（長崎大）（会員資格 著者名[発表者には＊印]（所属略称）：明朝体 12 ポイント）（1 行あける）
Taro DENNETSU (English Authors：Times New Roman 10pt)
Dept. of Mech. Eng., Nagasaki Univ., 1-14 Bunkyo-machi, Nagasaki 852-8521（1 行あける）（5 文字あける）English abstract. （英文アブストラクト：Times New Roman 10pt, 100 語程度）
（１行あける）
Key Words : Heat Transfer（英文キーワード：Times New Roman 10pt, 3～5 個程度）
（1 行あける）
本文パート（9 ポイント，2 段組）
表題パートの見本
本文パート：本文は 1 ページ目を 9 ポイント明朝体の 2 段組（片側 1 行 26 文字程度）で作成してください．
2 ページ目は，先頭から 2 段組とし，片側 60 行程度を目安として作成してください．
図表：図表中の記号およびキャプションは英語でお書きください．CD-ROM 版はカラーですが，オフセット
印刷版は白黒になることを考慮して作成してください．
文献：文献を引用する場合には，本文中の引用箇所の右肩に小括弧をつけた番号(1)で表し，本文の末尾に下記のようにまとめて文献を列記してください．
(引用番号) 著者名, 雑誌略称, 巻-号(発行年), 先頭ページ番号.
例：(1) 伝熱・他 2 名, 機論(B), 12-345(2006), 1234.
お問い合わせ先：〒852-8521 長崎市文教町 1-14, 長崎大学工学部 機械システム工学講座内
第 44 回日本伝熱シンポジウム実行委員会 庶務幹事 桃木 悟
Fax: 095-819-2527 / E-mail: nhts44@celcius.mech.nagasaki-u.ac.jp

伝熱2007 年 1 月- 90 -J. HTSJ, Vol. 46, No. 194

事務局からの連絡

入会手続きについて
学会 HP http://www.htsj.or.jp/index-j.html
から申込み用紙をダウンロードして下さい．詳細は HPを参照願います．

事

務

局

《業務内容》ⅰ）入会届，変更届，退会届の受付
ⅱ）会費納入の受付，会費徴収等ⅲ）会員，非会員からの問い合わせに対する応対，連絡等
ⅳ）伝熱シンポジウム終了後の「講演論文集」の注文受付，新入会員への学会誌「伝熱」，論文集「 Thermal
Science and Engineering」発送，その他刊行物の発送
ⅴ）その他必要な業務《所在地》〒 113-0034 東京都文京区湯島 2-16-16
社団法人 日本伝熱学会
Tel/Fax: 03-5689-3401， E-mail: office@htsj.or.jp， HP: http://www.htsj.or.jp（土日，祝祭日を除く，午前 10時～午後 5時）（注意）
１．事務局への連絡，お問い合わせには，電話によらず，できるだけ郵便振替用紙の通信欄やファックス・ E-mail 等の書面にてお願いします．
２．学会事務の統括と上記以外の事務は，下記（総務担当副会長）にて行っております．
〒 152-8550
東京都目黒区大岡山 2-12-1-I1-54
東京工業大学大学院理工学研究科
機械宇宙システム専攻
宮内 敏雄
Tel/Fax: 03-5734-3183， E-Mail: tmiyauch@mes.titech.ac.jp

45 期新入会員（2006.10.11～2007.1.9）
資
正
正
学

氏 名
下池 正一郎
坂本 仁
福江 高志

資
正

氏 名
鈴木 康一

所 属
㈱安川電機
日本電気㈱
東京農工大学資正学正正 4 名・学生 2 名

氏 名
大平 勝秀
木村 肇
川口 達也

45 期寄付会費（2006.10.11～2007.1.9）

伝熱2007 年 1 月

所 属
東京理科大学資正- 91 -

氏 名
久野 勝美

所 属
東北大学
名古屋工業大学
東京工業大学2名

4,000 円所 属㈱東芝

J. HTSJ, Vol. 46, No. 194

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日本カノマックス

編集出版部会ノート：固液界面の濡れ性の機構と制御など
Note from the Editorial Board: Mechanism and Control of Surface Wettability in Solid-Liquid Interface
この企画記事が，多くの研究者，技術者の濡れ性に対する理解と関心を少しでも深めることができ
れば，また読者が今回の特集から生産装置の開発や研究のヒントが得られれば，この特集を企画した甲斐があります．さらに，伝熱，流体に関連した技術革新のきっかけとなれば編集者の一員として望外の喜びです．
今回の特集以外の記事についても触れておきます．表紙の裏ページに写真，簡単な解説付き<heat-page>が，出版部会長の発案で新しくスター
トします．第一回は「久米島の畳石（吉田英生）」
ですが，読者の積極的な話題提供を期待しております．<新春特別講談>「薩摩集成館物語（清水昭比古）」は，薩摩藩主島津斉彬が藩内に海外技術を導入，独自に工場群を造り，工業化を進めた幕末
文明開化のお話です．
<特別寄稿>「沸騰の科学（甲藤好郎）」の連載
は最終回を迎え，庄司先生を中心にまとめたものの出版を検討中とのことです．<ネイチャーQ>「地球深部の高圧状態を作る（入舩徹男）」は，Nature(2003) に掲載されたものを更に発展させ，80 万気
圧，1300K の地球深部の状況を人工的につくり超
高硬度ダイヤモンドの大型化に成功した著者の地
底探検，いや地底模擬のお話です．新春にふさわ
しい日本酒の醸造と温度管理などなど‥‥，多くの話題が提供されており，読者に堪能いただけるものと思います．

近年，マイクロやナノオーダーの微細構造表面の生成技術，放射線やプラズマ照射による固体表面の改質技術などが開発されている．この技術は超撥水・超親水性面をもつ壁，汚れにくい壁，流動抵抗の減少，伝熱促進などの機能性壁面の創製技術として，伝熱，流体など多くの分野で注目されている．2006 年の日本伝熱シンポジウムでも遷移沸騰に関連する諸問題のオーガナズドセッショ
ンの中で濡れ性の観点から沸騰伝熱の促進が議論されており，多くの学会において濡れ性による技術革新が話題として取り上げられている．
前回の特集は生産技術と熱と題して，生産現場で遭遇する身近な伝熱問題を取あげている．今回の特集では，伝熱と直接関係する問題ではないが，濡れ性について取り上げている．濡れ性の機構については，固体面に付着する液滴について分子動力学のミクロな観点からとマクロの観点から，接触角の基本から表面の粗さやナノ微細構造が濡れ性に及ぼす影響についての先端研究まで分かり易
く解説頂いている．沸騰や混相流動の分野で注目されている放射線あるいはプラズマの壁への照射が，濡れ性と伝熱促進に及ぼす効果と展望について実際的な解説を頂いている．近年マイクロ，ナノオーダーの精密加工技術を用いて，濡れ性を意図したフラクタル構造や表面の微細な構造が創製されている．この先端技術の開発者に，その濡れ性制御の原理と技術の一端を解説して頂いた．
濡れ性について個々の解説は多くみられるが，濡れ性のメカニズム、照射技術による濡れ性の制
御と伝熱促進，精密加工技術による濡れ性を意図した表面の作成まで，まとめての解説は珍しい．

村上 幸一（愛媛大学）
Koichi MURAKAMI（Ehime University)e-mail: kmura@eng.ehime-u.ac.jp

副会長
牧野俊郎（京都大学）
部会長 吉田英生（京都大学）
委 員（理 事）辻 俊博（名古屋工業大学）村上幸一（愛媛大学）
小山 繁（九州大学）（評議員）近久武美（北海道大学）
丸田 薫（東北大学）
杉山智之（日本原子力研究開発機構）
中込秀樹（千葉大学）
加藤之貴（東京工業大学） 黒坂俊雄（神戸製鋼所）
永井二郎（福井大学）
加賀邦彦（三菱電機）
TSE チーフエディター 河村 洋（東京理科大学） TSE 編集幹事 佐竹信一（東京理科大学）
編集出版事務局：京都大学大学院 工学研究科 航空宇宙工学専攻 吉田英生・犬山健二〒606-8501 京都市左京区吉田本町 Tel/Fax：075-753-5255 yoshida@mbox.kudpc.kyoto-u.ac.jp
伝熱2007 年 1 月- 96 -J. HTSJ, Vol. 46, No. 194

複写される方に本誌に掲載された著作物を複写したい方は，日本複写権センターと包括複写許諾契約を締結されている企業の従業員以外は，著作権者から複写権等の委託を受けている次の団体から許諾を受けて下さい．
なお，著作物の転載・翻訳のような複写以外許諾は，直接本会へご連絡下さい．
〒107-0052 東京都港区赤坂 9-6-41 乃木坂ビル 3F
学術著作権協会（Tel/Fax : 03-3475-5618）
アメリカ合衆国における複写については，次に連絡して下さい．

Copyright Clearance Center, Inc.(CCC)
222 Rosewood Drive, Danvers, MA 01923 USA
Tel : +1-978-750-8400

Fax : +1-978-750-4744

Notice about photocopying

In order to photocopy any work from this publication, you or your organization must obtain permission from thefollowing organization which has been delegated for copyright for clearance by the copyright owner of thispublication.
Except in the USA
The Copyright Council of the Academic Societies (CCAS)
41-6 Akasaka 9-chome, Minato-ku, Tokyo 107-0052 Japan
Tel / Fax : +81-3-3475-5618
In the USA
Copyright Clearance Center, Inc. (CCC)
222 Rosewood Drive, Danvers, MA 01923 USA
Tel : +1-978-750-8400

Fax : +1-978-750-4744

伝 熱
ISSN 1344-8692
Journal of the Heat Transfer Society of Japan
Vol. 46, No. 194
2007 年 1 月発行
THERMAL SCIENCE AND ENGINEERING(日本伝熱学会論文集)
Vol. 15, No. 1

ISSN 0918-9963
January, 2007

発行所 社団法人 日 本 伝 熱 学 会〒113-0034 東京都文京区湯島 2-16-16

Tel : 03-5689-3401, Fax : 03-5689-3401
郵便振替 00160-4-14749

Published by The Heat Transfer Society of Japan
16-16, Yushima 2-chome, Bunkyo-ku,
Tokyo 113-0034, Japan