JP2000087921A - 流動抵抗低減方法 - Google Patents

流動抵抗低減方法

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JP2000087921A
JP2000087921A JP10264490A JP26449098A JP2000087921A JP 2000087921 A JP2000087921 A JP 2000087921A JP 10264490 A JP10264490 A JP 10264490A JP 26449098 A JP26449098 A JP 26449098A JP 2000087921 A JP2000087921 A JP 2000087921A
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flow
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JP10264490A
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Akira Yabe
彰 矢部
Koichi Ozaki
浩一 尾崎
Sohei Matsumoto
壮平 松本
Takaaki Inada
孝明 稲田
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National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
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Agency of Industrial Science and Technology
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来では抵抗低減が実現しにくかった流速の
比較的低い層流領域を主な対象にして、固体と液体との
間の流動抵抗低減効果の向上を図った流動抵抗低減方法
及び流動抵抗低減面を提供する。 【課題】 図2の(B)に示すような微細凹凸4を固体
1の界面に施すことにより、表面エネルギを小さくし、
液体2が付着しにくい超撥水面をつくり、もって流動抵
抗を低減するようにした。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、固体界面の液体に
対する流動抵抗を低減する技術に関する。
【0002】
【従来の技術】流動抵抗低減技術としては、従来、例え
ば図4に示すようなものが知られている。この技術は、
固体11の界面に、矢印Lで示す液体流動方向に延びる
断面凸状の整流ガイド12が複数本、平行に並べて設け
られている。整流ガイド12は、高さが数10μm〜数
mmに設定されている。この整流ガイド12にあって
は、乱流状態で速度変動成分を特定の方向に制約するこ
とにより、乱流摩擦抵抗を5%程度、低減し、もって流
動抵抗を低減している。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】ところが、上記の図4
の整流ガイド12は、乱流の乱れ成分の制御には有効で
あるが、層流領域では効果がなく、その意味で広い応用
には適さない。本発明の目的は、従来では抵抗低減が実
現しにくかった流速の比較的低い層流領域を主な対象に
して、固体と液体との間の流動抵抗低減効果の向上を図
った流動抵抗低減方法及び流動抵抗低減面を提供するこ
とにある。
【0004】
【課題を解決するための手段】ところで、固体の界面に
比較的粗い(例えば数mm高さの)凹凸があると、流動
抵抗が増大する。それでは、固体の界面が鏡面であれ
ば、流動抵抗を大幅に低減できるかというと、そうでは
ない。やはり、大きな流動抵抗を呈する。このように、
今までの技術常識では、凹凸を施そうが、鏡面加工しよ
うが、いずれにせよ、流動抵抗の増大は避けられないも
のと思われてきた。つまり、固体界面の粗さ如何は、大
幅な流動抵抗低減にはつながらないと観念されていた。
このような事情から、上記従来例として挙げた図4の整
流ガイド12のように、乱流の乱れ成分を制御する技術
しか存在しなかったのである。
【0005】本発明者らは、流動低減効果のある固体界
面を得るべく鋭意研究を進めた結果、かつてない知見を
得ることができ、これにより今までの技術常識を打破す
る技術思想を創案するに至った。すなわち、本発明者ら
は、非常に微細な凹凸を固体の表面に施すと、液体の流
動抵抗が低減するという知見を得た。このような流動抵
抗低減効果を奏する理由は、次のように考えられる。図
2(C)のように、比較的粗い凹凸5を固体1の界面に
施した場合、流動抵抗が大きくなる理由は、液体2の塊
の一部が凹所に入り込み、固体1に付着してしまうから
と考えられる。一方、図2(A)のように、固体1の界
面が鏡面3の場合、流動抵抗が大きくなる理由は、鏡面
であると、固体の表面エネルギが増大し、液体2の塊が
固体1に薄い膜を貼付たように広がって付着し、濡れ性
が増大するためであると思われる。これに対して、図2
(B)に示すように、微細な凹凸4を固体の表面に施し
たときに、なぜ流動抵抗低減効果を奏するかというと、
従来のような粗い凹凸5と違って液体の塊が凹所に入り
込むことがなく、かつ鏡面3と異なり濡れ性が増大する
ことも防止されるからと考えられる。その結果、液体2
が固体1の界面に付着することがなく、超撥水面とな
る。このように固体1の界面が超撥水面となることによ
り、流動抵抗低減効果を奏するのである。本発明では、
このように固体1の界面を超撥水面として流動抵抗を低
減させるようにしたので、層流領域であっても流動抵抗
低減効果が発揮される。もちろん、乱流でも効果が発揮
される。本発明の微細凹凸を施すことにより、図1に示
すように、液体2は、固体1の超撥水面上を矢印L方向
にスムーズに流動することになる。図1に示した液体2
の粒は液体分子、固体1の表面の凹凸状の粒は固体分子
を示している。このような流動抵抗低減効果を奏する微
細凹凸4の粗さは、高さが10nm〜30μmで、且つ
相互の間隔が500nm〜10μmの範囲であることが
わかった。本発明の微細凹凸4を施すと、流動抵抗低減
効果により、今までと比べて、約15%以上の省エネル
ギが達成されることがわかった。なお、本発明の微細凹
凸4を、図4の従来例である整流ガイド12と併用して
もよいことは明らかである。
【0006】
【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施形態を
説明する。 (加工方法)本発明の流動抵抗低減面は、例えば10m
Kオーダーの精密な温度制御の下で、広域ナノ形状の計
測技術で計測しながら、ダイヤモンド切削加工などで、
金属面を高速・広域ナノ加工して、微細凹凸加工を施す
ことにより製造することができる。また、図3に示すよ
うに、シリコンウエハ1Aの表面(界面)に、例えば蒸
着によりPTFE(ポリテトラフルオロエチレン 登
録商標テフロン)からなる微細な点状の凸部1Bを多数
設けるようにコーティングし、これにより微細凹凸をも
つ固体1を製造することもできる。蒸着にかえて、エッ
チングまたは塗装により微細凹凸を設けてもよい。上述
した切削加工によると凹凸が平行に並んで線状に延びる
ように設けられるのが普通であり、また蒸着、エッチン
グ、塗装による場合には凸部が多数設けられるが、凹凸
形状はこれに限らず、任意の形状とすればよい。また、
凹凸加工方法にしても、切削加工、蒸着、エッチング、
塗装に限らず、適宜のものを採用すればよい。
【0007】(応用例)本発明の微細凹凸を施した流動
抵抗低減面をパイプ(図示省略)の内面に施すと、液体
搬送用の動力を低減できる。そして、これにより、例え
ばプラント、地域冷暖房、原油ライン、ビルなどの配管
系における動力が低減される。また、本発明の流動抵抗
低減面を船舶の表面に施すことにより、船舶が受ける抵
抗が低減される。さらに、本発明によると、超撥水面と
したことにより、固体と液体との境界面で流速が0より
大きくなる滑り効果を生ずる。したがって、固体と液体
との間での伝熱を促進する効果も期待できる。すなわ
ち、本発明の超撥水面は、流動抵抗低減面の他に伝熱促
進面ともなるのである。ここに挙げたものの他、本発明
は、固体と液体との間の流動抵抗低減または伝熱促進が
求められる分野に広く適用可能である。
【0008】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によると、
微細凹凸を固体の界面に施して超撥水面としたので、流
動抵抗低減効果を向上できる。特に、従来では抵抗低減
が実現しにくくかった流速の比較的低い層流領域におけ
る流動抵抗低減効果を大いに期待できる。また、固体と
液体との間の伝熱促進も向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の流動抵抗低減面の作用状態を示すモデ
ル図である。
【図2】固体の界面の粗さと液体との付着性関係を示す
説明図であり、(A)図は鏡面、(B)図は本発明の微
細凹凸、(C)図は比較的粗い凹凸を持つ固体界面を示
している。
【図3】蒸着によりPTFEの微細凹凸加工を施した実
施形態を示す説明図である。
【図4】従来の流動抵抗低減技術を説明する斜視図であ
る。
【符号の説明】
1 固体 2 液体 1A シリコンウエハ 1B PTFEの凸部 4 微細凹凸
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成11年7月14日(1999.7.1
4)
【手続補正1】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】発明の名称
【補正方法】変更
【補正内容】
【発明の名称】 流動抵抗低減方法
【手続補正2】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正内容】
【特許請求の範囲】
【手続補正3】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0003
【補正方法】変更
【補正内容】
【0003】
【発明が解決しようとする課題】ところが、上記の図4
の整流ガイド12は、乱流の乱れ成分の制御には有効で
あるが、層流領域では効果がなく、その意味で広い応用
には適さない。本発明の目的は、従来では抵抗低減が実
現しにくかった流速の比較的低い層流領域を主な対象に
して、固体と液体との間の流動抵抗低減効果の向上を図
った流動抵抗低減方法を提供することにある。
【手続補正4】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】図面の簡単な説明
【補正方法】変更
【補正内容】
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の流動抵抗低減方法の作用状態を示すモ
デル図である。
【図2】固体の界面の粗さと液体との付着性関係を示す
説明図であり、(A)図は鏡面、(B)図は本発明の微
細凹凸、(C)図は比較的粗い凹凸を持つ固体界面を示
している。
【図3】蒸着によりPTFEの微細凹凸加工を施した実
施形態を示す説明図である。
【図4】従来の流動抵抗低減技術を説明する斜視図であ
る。
【符号の説明】 1 固体 2 液体 1A シリコンウエハ 1B PTFEの凸部 4 微細凹凸
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 松本 壮平 茨城県つくば市並木1丁目2番地 工業技 術院機械技術研究所内 (72)発明者 稲田 孝明 茨城県つくば市並木1丁目2番地 工業技 術院機械技術研究所内

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 固体と液体との間の流動抵抗低減方法
    において、微細凹凸を固体の界面に施して表面エネルギ
    を小さし、超撥水面を形成してなることを特徴とする流
    動抵抗低減方法。
  2. 【請求項2】 精密切削加工により微細凹凸が施された
    固体の界面を用いることを特徴とする請求項1に記載の
    流動抵抗低減方法。
  3. 【請求項3】 蒸着、エッチングまたは塗装により微細
    凹凸が施された固体の界面を用いることを特徴とする請
    求項1に記載の流動抵抗低減方法。
  4. 【請求項4】 固体と液体との間の流動抵抗低減面に
    おいて、固体の表面に表面エネルギの小さい微細凹凸か
    らなる超撥水面を形成してなることを特徴とする流動抵
    抗低減面。
  5. 【請求項5】 精密切削加工により微細凹凸が施され
    た固体の界面を用いることを特徴とする請求項4に記載
    の流動抵抗低減面。
  6. 【請求項6】 蒸着、エッチングまたは塗装により微
    細凹凸が施された固体の界面を用いることを特徴とする
    請求項4に記載の流動抵抗低減面。
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