JP2002243394A - 熱交換器用撥水熱伝導性構造体 - Google Patents
熱交換器用撥水熱伝導性構造体Info
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- JP2002243394A JP2002243394A JP2001088763A JP2001088763A JP2002243394A JP 2002243394 A JP2002243394 A JP 2002243394A JP 2001088763 A JP2001088763 A JP 2001088763A JP 2001088763 A JP2001088763 A JP 2001088763A JP 2002243394 A JP2002243394 A JP 2002243394A
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- F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
- F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
- F28F13/00—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing
- F28F13/18—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by applying coatings, e.g. radiation-absorbing, radiation-reflecting; by surface treatment, e.g. polishing
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Abstract
(57)【要約】 （修正有）
【課題】熱交換効率に優れ、長期耐久性に優れた熱交換
器用超撥水性熱伝導性構造体の提供を目的とする。 【解決手段】本発明においては、フラクタル理論に基づ
く撥水性の向上と、熱伝導率０．０５１ｃａｌ／ｃｍ・
ｄｅｇ以上の熱伝導性を有する材料２３の表面に厚さ１
００ｎＭ以下，接触角１００度以上の撥水処理膜２３を
形成させることによる相乗効果により、高熱交換効率の
実現と水膜生成阻止や付着生成物の堆積阻止による長期
耐久性の向上を実現した。
器用超撥水性熱伝導性構造体の提供を目的とする。 【解決手段】本発明においては、フラクタル理論に基づ
く撥水性の向上と、熱伝導率０．０５１ｃａｌ／ｃｍ・
ｄｅｇ以上の熱伝導性を有する材料２３の表面に厚さ１
００ｎＭ以下，接触角１００度以上の撥水処理膜２３を
形成させることによる相乗効果により、高熱交換効率の
実現と水膜生成阻止や付着生成物の堆積阻止による長期
耐久性の向上を実現した。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、撥水性と熱伝導性に優
れた熱交換器用撥水熱伝導性構造体を提供し、これによ
り熱交換器の熱交換効率を高め、付着物の堆積を防ぎ、
長期耐久性を向上させるためのものである。
れた熱交換器用撥水熱伝導性構造体を提供し、これによ
り熱交換器の熱交換効率を高め、付着物の堆積を防ぎ、
長期耐久性を向上させるためのものである。
【０００２】
【従来の技術】従来の熱交換器では、熱伝導性の観点か
ら銅、アルミニウムなどの金属材料が機器材料として用
いられてきた。これらにおいて、水や水蒸気の循環に伴
う金属の腐食を防ぐため亜鉛塩のような防錆処理が施さ
れてきた。無機材料や塗料などによる防錆では防錆膜自
体に起因する熱交換効率の低下と付着生成物の堆積によ
る熱交換効率の低下はさけられず、また亜鉛めっきやス
テンレスの使用では、付着生成物の堆積による熱交換効
率の低下とともに、壁面に水蒸気が凝集して生成する水
膜による熱交換効率の低下がさけられなかった。
ら銅、アルミニウムなどの金属材料が機器材料として用
いられてきた。これらにおいて、水や水蒸気の循環に伴
う金属の腐食を防ぐため亜鉛塩のような防錆処理が施さ
れてきた。無機材料や塗料などによる防錆では防錆膜自
体に起因する熱交換効率の低下と付着生成物の堆積によ
る熱交換効率の低下はさけられず、また亜鉛めっきやス
テンレスの使用では、付着生成物の堆積による熱交換効
率の低下とともに、壁面に水蒸気が凝集して生成する水
膜による熱交換効率の低下がさけられなかった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】熱交換器では、高温水
蒸気の凝縮時の潜熱を利用するものと、水の循環を利用
するものとが存在する。前者においては水蒸気が凝縮し
て水になる時、熱交換器内表面に水膜が形成し、その水
膜の低熱伝導性が、熱交換器の熱交換効率の大きな妨げ
となっていた。一方、後者では、熱交換器内表面に付着
堆積物が形成し、熱交換器の大きな劣化要因となってい
た。このため高温水蒸気の凝縮時に水膜が形成せず、ま
た水循環時に付着堆積物の形成しにくい熱交換器用構造
体の実現が望まれてきた。
蒸気の凝縮時の潜熱を利用するものと、水の循環を利用
するものとが存在する。前者においては水蒸気が凝縮し
て水になる時、熱交換器内表面に水膜が形成し、その水
膜の低熱伝導性が、熱交換器の熱交換効率の大きな妨げ
となっていた。一方、後者では、熱交換器内表面に付着
堆積物が形成し、熱交換器の大きな劣化要因となってい
た。このため高温水蒸気の凝縮時に水膜が形成せず、ま
た水循環時に付着堆積物の形成しにくい熱交換器用構造
体の実現が望まれてきた。
【０００４】
【課題を解決するための手段】本発明においては、フラ
クタル理論に基づく撥水性の向上と、熱伝導率０．０５
１ｃａｌ／ｃｍ・ｄｅｇ以上の熱伝導性を有する材料の
表面に厚さ１００ｎＭ以下の撥水処理膜を形成させるこ
とによる相乗効果により、高熱交換効率の実現と付着生
成物の堆積阻止による熱交換効率の劣化防止を実現す
る。フラクタル（Ｆｒａｃｔａｌ）とは非整数次元をも
つ図形の総称である１）が、具体的にはリアス式海外
線、稲妻、肺の構造等々は、フラクタル的な図形といわ
れる。フラクタル理論によれば、表面がフラクタル構造
を有する材料の水の接触角は以下２）の式で表される。
クタル理論に基づく撥水性の向上と、熱伝導率０．０５
１ｃａｌ／ｃｍ・ｄｅｇ以上の熱伝導性を有する材料の
表面に厚さ１００ｎＭ以下の撥水処理膜を形成させるこ
とによる相乗効果により、高熱交換効率の実現と付着生
成物の堆積阻止による熱交換効率の劣化防止を実現す
る。フラクタル（Ｆｒａｃｔａｌ）とは非整数次元をも
つ図形の総称である１）が、具体的にはリアス式海外
線、稲妻、肺の構造等々は、フラクタル的な図形といわ
れる。フラクタル理論によれば、表面がフラクタル構造
を有する材料の水の接触角は以下２）の式で表される。
【数１】 フラクタル次数Ｄの値が大きいほど表面粗さが粗く、
【数１】式よりＤ＞２、かつθ＞９０度であれば、撥水
性がより強化される。この理論によれば、表面が平坦な
場合の接触角が９０度を超えていれば、フラクタルな表
面は、平坦な場合よりもさらに撥水性が増し、究極的に
は接触角１８０度の超撥水性も可能となる。金属などの
熱伝導性材料の表面をフラクタル次数２．０１以上の表
面粗さとした後に、撥水処理を施せば、上記
性がより強化される。この理論によれば、表面が平坦な
場合の接触角が９０度を超えていれば、フラクタルな表
面は、平坦な場合よりもさらに撥水性が増し、究極的に
は接触角１８０度の超撥水性も可能となる。金属などの
熱伝導性材料の表面をフラクタル次数２．０１以上の表
面粗さとした後に、撥水処理を施せば、上記
【数１】式で表されるように、撥水性を著しく向上させ
ることができる。この“フラクタル効果”の援助のもと
に撥水処理膜の厚さを１００ｎＭ以下に薄層化でき、熱
交換効率の向上と付着生成物の堆積防止による長期信頼
性の向上を実現することができる。
ることができる。この“フラクタル効果”の援助のもと
に撥水処理膜の厚さを１００ｎＭ以下に薄層化でき、熱
交換効率の向上と付着生成物の堆積防止による長期信頼
性の向上を実現することができる。
【０００５】
【構成と作用】材料が撥水性を有するか否かは材料の上
に水滴をたらし、図１に示すがごとく、材料と水滴がな
す角度すなわち接触角によって評価される。図１におい
て、１１は水滴、１２は評価対象の板材、１３は接触角
である．本発明の請求項において接触角の値を１００度
以上としたのはこれより少ない接触角をしめす材料では
水滴の付着を阻止するには十分といえないず、水膜の形
成も阻止できないからである。この高い接触角を有する
材料では表面エネルギーが小さく、水との相互作用も少
ないことから水の付着を阻止する作用が現れる。また水
蒸気が凝縮し、水となる時も、その水は壁面にて水膜を
形成することなく熱交換効率を下げることはない。さら
に、接触角の大きな材料は表面エネルギーが小さく壁面
への付着生成物の堆積を阻止し、熱交換効率の長期的劣
化を阻止することができる。本発明の基本構成をの例を
断面図として図２に示す。図２の２２は撥水処理膜を示
す。この撥水処理膜の第１の特徴は、フラクタル的な表
面構造を有し、撥水性が増幅され、水膜形成を阻止し、
付着生成物の堆積を阻止することによる、熱交換効率の
向上を実現し、熱交換効率の劣化を防止する。 この撥
水処理膜の第２の特徴は、その厚さが１００ｎＭ以下
で、表面に垂直方向の良好な熱伝導性を確保できること
にある。 図２の２３は熱伝導性材料を示す。
に水滴をたらし、図１に示すがごとく、材料と水滴がな
す角度すなわち接触角によって評価される。図１におい
て、１１は水滴、１２は評価対象の板材、１３は接触角
である．本発明の請求項において接触角の値を１００度
以上としたのはこれより少ない接触角をしめす材料では
水滴の付着を阻止するには十分といえないず、水膜の形
成も阻止できないからである。この高い接触角を有する
材料では表面エネルギーが小さく、水との相互作用も少
ないことから水の付着を阻止する作用が現れる。また水
蒸気が凝縮し、水となる時も、その水は壁面にて水膜を
形成することなく熱交換効率を下げることはない。さら
に、接触角の大きな材料は表面エネルギーが小さく壁面
への付着生成物の堆積を阻止し、熱交換効率の長期的劣
化を阻止することができる。本発明の基本構成をの例を
断面図として図２に示す。図２の２２は撥水処理膜を示
す。この撥水処理膜の第１の特徴は、フラクタル的な表
面構造を有し、撥水性が増幅され、水膜形成を阻止し、
付着生成物の堆積を阻止することによる、熱交換効率の
向上を実現し、熱交換効率の劣化を防止する。 この撥
水処理膜の第２の特徴は、その厚さが１００ｎＭ以下
で、表面に垂直方向の良好な熱伝導性を確保できること
にある。 図２の２３は熱伝導性材料を示す。
【０００６】
【実施例１】銅にアルミニウムを濃度が２．０重量％と
なるようを添加し、アルゴン気流中１５００℃にて溶解
し、インゴットを作製後、皮むきし、圧延により、厚さ
２．０ｍｍの銅−２．０重量％アルミニウム合金試料を
作製した。この試料を大気中９００℃にて３時間加熱し
た後、試料の表面に形成された銅の酸化物のスケールを
取り除くと、アルミニウムの酸化物であるアルミナの微
粒子が表面に密集して生成しているのが認められた。こ
の試料に超音波振動を加えるとアルミナの微粒子が試料
表面から離脱し、フラクタル状の表面粗さを有する表面
が形成された。この表面をボックスカウンタ法により、
フラクタル次数Ｄを求めたところ、２．３１の値が得ら
れた。この表面にメトキシ型シランカップリング剤溶液
を用い、加熱還流時間２．５時間、１９０℃にて４０分
の熱処理を、施した。この試料の水の接触角を測定した
ところ、１５３度という高い値がえられ、表面が超撥水
状態になっていることが認められた。この試料の表面に
垂直方向の熱伝導率を測定したところ０．１４８ｃａｌ
／ｃｍ・ｄｅｇと銅とほぼ等しい熱伝導性が得られ、撥
水処理膜の厚さが十分薄いことが認められた。この試料
と同様な条件で作製した材料を用いて熱交換器を構成
し、ＣａＳＯ４を１．６ｇ／ｌ含む水溶液で沸騰湯循環
加速劣化試験をおこなったところ、１００時間経過後
も、熱伝導率は０．１４８ｃａｌ／ｃｍ・ｄｅｇと初期
値と変わらなかった。一方、撥水処理を施さない銅の材
料を用いた熱交換器ではＣａＳＯ４が付着堆積し熱伝導
率が０．０４２ｃａｌ／ｃｍ・ｄｅｇへと低下し、本発
明の良好な熱交換性能と耐久性が実証された。
なるようを添加し、アルゴン気流中１５００℃にて溶解
し、インゴットを作製後、皮むきし、圧延により、厚さ
２．０ｍｍの銅−２．０重量％アルミニウム合金試料を
作製した。この試料を大気中９００℃にて３時間加熱し
た後、試料の表面に形成された銅の酸化物のスケールを
取り除くと、アルミニウムの酸化物であるアルミナの微
粒子が表面に密集して生成しているのが認められた。こ
の試料に超音波振動を加えるとアルミナの微粒子が試料
表面から離脱し、フラクタル状の表面粗さを有する表面
が形成された。この表面をボックスカウンタ法により、
フラクタル次数Ｄを求めたところ、２．３１の値が得ら
れた。この表面にメトキシ型シランカップリング剤溶液
を用い、加熱還流時間２．５時間、１９０℃にて４０分
の熱処理を、施した。この試料の水の接触角を測定した
ところ、１５３度という高い値がえられ、表面が超撥水
状態になっていることが認められた。この試料の表面に
垂直方向の熱伝導率を測定したところ０．１４８ｃａｌ
／ｃｍ・ｄｅｇと銅とほぼ等しい熱伝導性が得られ、撥
水処理膜の厚さが十分薄いことが認められた。この試料
と同様な条件で作製した材料を用いて熱交換器を構成
し、ＣａＳＯ４を１．６ｇ／ｌ含む水溶液で沸騰湯循環
加速劣化試験をおこなったところ、１００時間経過後
も、熱伝導率は０．１４８ｃａｌ／ｃｍ・ｄｅｇと初期
値と変わらなかった。一方、撥水処理を施さない銅の材
料を用いた熱交換器ではＣａＳＯ４が付着堆積し熱伝導
率が０．０４２ｃａｌ／ｃｍ・ｄｅｇへと低下し、本発
明の良好な熱交換性能と耐久性が実証された。
【０００７】
【実施例２】ＳＵＳ３０４ステンレスの表面に＃２００
のエメリー紙で研磨後、＃８００エメリー紙で軽く研磨
し、さらに＃４００エメリー紙で軽く研磨したところ、
このステンレスの表面にはフラクタル状の表面粗さが認
められた。この表面をボックスカウンタ方により、フラ
クタル次数Ｄを求めたところ、２．２５の値が得られ
た。この表面にメトキシ型シランカップリング剤溶液を
用い、加熱還流時間３．５時間、２１０℃にて２５分の
熱処理を、施した。この試料の水の接触角を測定したと
ころ、１４２度という高い値がえられ、表面が超撥水状
態になっていることが認められた。この試料の表面に垂
直方向の熱伝導率を測定したところと銅とほぼ等しい熱
伝導性が得られ、撥水処理膜の厚さが十分に薄いことが
認められた。この試料と同様な条件で作製した材料を用
いて熱交換器を構成し、この試料と同様な条件で作製し
た材料を用いて熱交換器を構成し、ＣａＳＯ４を１．６
ｇ／ｌ含む水溶液で沸騰湯循環加速劣化試験をおこなっ
たところ、２００時間経過後も、熱伝導率は０．０８１
ｃａｌ／ｃｍ・ｄｅｇと初期値と変わらなかった。一
方、撥水処理を施さない銅の材料を用いた熱交換器では
ＣａＳＯ４が付着堆積し熱伝導率が０．０２７ｃａｌ／
ｃｍ・ｄｅｇへと低下し、本発明の良好な熱交換性能と
耐久性が実証された。
のエメリー紙で研磨後、＃８００エメリー紙で軽く研磨
し、さらに＃４００エメリー紙で軽く研磨したところ、
このステンレスの表面にはフラクタル状の表面粗さが認
められた。この表面をボックスカウンタ方により、フラ
クタル次数Ｄを求めたところ、２．２５の値が得られ
た。この表面にメトキシ型シランカップリング剤溶液を
用い、加熱還流時間３．５時間、２１０℃にて２５分の
熱処理を、施した。この試料の水の接触角を測定したと
ころ、１４２度という高い値がえられ、表面が超撥水状
態になっていることが認められた。この試料の表面に垂
直方向の熱伝導率を測定したところと銅とほぼ等しい熱
伝導性が得られ、撥水処理膜の厚さが十分に薄いことが
認められた。この試料と同様な条件で作製した材料を用
いて熱交換器を構成し、この試料と同様な条件で作製し
た材料を用いて熱交換器を構成し、ＣａＳＯ４を１．６
ｇ／ｌ含む水溶液で沸騰湯循環加速劣化試験をおこなっ
たところ、２００時間経過後も、熱伝導率は０．０８１
ｃａｌ／ｃｍ・ｄｅｇと初期値と変わらなかった。一
方、撥水処理を施さない銅の材料を用いた熱交換器では
ＣａＳＯ４が付着堆積し熱伝導率が０．０２７ｃａｌ／
ｃｍ・ｄｅｇへと低下し、本発明の良好な熱交換性能と
耐久性が実証された。
【０００８】
【発明の効果】本発明の熱交換器用撥水熱伝導性構造体
によって、優れた熱交換効率と長期耐久性が得られ、全
世界で毎年６兆円にも及ぶ熱交換器のエネルギー損失
３）の低減に効果があり、発電機、家庭電化製品などの
産業分野への影響ははかりしれない。
によって、優れた熱交換効率と長期耐久性が得られ、全
世界で毎年６兆円にも及ぶ熱交換器のエネルギー損失
３）の低減に効果があり、発電機、家庭電化製品などの
産業分野への影響ははかりしれない。
【参考文献】１） Ｂ．Ｂ．Ｍａｎｄｅｌｂｒｏｔ：
”Ｔｈｅ Ｆｒａｃｔａｌ Ｇｅｏｍｅｔｒｙ ｏｆ
Ｎａｔｕｒｅ”， Ｆｒｅｅｍａｎ， Ｓａｎ Ｆｒ
ａｎｃｉｓｃｏｍ（１９８２） ２）Ｒ．Ｄ．Ｈａｚｌｅｔｔ：Ｊ．Ｃｏｌｌｏｉｄ ａ
ｎｄ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ，ｖｏｌ．
１３７（１９９０），ｐ．５２７ ３）Ｈ．Ｍｕｅｌｌｅｒ−Ｓｔｅｉｎｈａｇｅｎ：”Ｆ
ｏｕｒｉｎｇ ｏｆ Ｈｅａｔ Ｅｘｃｈａｎｇｅ Ｓ
ｕｒｆａｃｅ”Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ ａｎｄ Ｉｎｄｕ
ｓｔｒｙ，Ｎｏ．５，ｐ．１７１（１９９５）
”Ｔｈｅ Ｆｒａｃｔａｌ Ｇｅｏｍｅｔｒｙ ｏｆ
Ｎａｔｕｒｅ”， Ｆｒｅｅｍａｎ， Ｓａｎ Ｆｒ
ａｎｃｉｓｃｏｍ（１９８２） ２）Ｒ．Ｄ．Ｈａｚｌｅｔｔ：Ｊ．Ｃｏｌｌｏｉｄ ａ
ｎｄ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ，ｖｏｌ．
１３７（１９９０），ｐ．５２７ ３）Ｈ．Ｍｕｅｌｌｅｒ−Ｓｔｅｉｎｈａｇｅｎ：”Ｆ
ｏｕｒｉｎｇ ｏｆ Ｈｅａｔ Ｅｘｃｈａｎｇｅ Ｓ
ｕｒｆａｃｅ”Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ ａｎｄ Ｉｎｄｕ
ｓｔｒｙ，Ｎｏ．５，ｐ．１７１（１９９５）
【図１】接触角の定義
【図２】本発明の基本概念図
１１：水滴、１２：評価対象の板材、１３：接触角 ２１：水滴 ２２：フラクタル構造のはっ水性表面 ２
３：熱伝導性材料
３：熱伝導性材料
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） // Ｃ２２Ｃ 9/01 Ｆ２８Ｆ 19/00 ５０１Ｚ
Claims (3)
- 【請求項１】熱伝導率０．０５１ｃａｌ／ｃｍ・ｄｅｇ
以上の熱伝導性を有する材料の表面をフラクタル次数に
して２．０１以上の表面粗さを形成させ、その表面に厚
さ１００ｎＭ以下の撥水処理膜を形成させ、表面の接触
角１００度以上、表面に垂直方向の熱伝導率０．０５ｃ
ａｌ／ｃｍ・ｄｅｇ以上の熱伝導性を有することを特徴
とする熱交換器用撥水熱伝導性構造体 - 【請求項２】請求項１において熱伝導性材料として、鉄
およびステンレスを含む鉄合金、アルミニウムおよびア
ルミニウム合金、銅および銅合金、ニッケルおよびニッ
ケル合金、マグネシウムおよびマグネシウム合金、チタ
ンおよびチタン合金であることを特徴とする、熱交換器
用撥水熱伝導性構造体 - 【請求項３】請求項１および２において、撥水処理がシ
ランカップリング処理であることを特徴とする熱交換器
用撥水熱伝導性構造体
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001088763A JP2002243394A (ja) | 2001-02-20 | 2001-02-20 | 熱交換器用撥水熱伝導性構造体 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001088763A JP2002243394A (ja) | 2001-02-20 | 2001-02-20 | 熱交換器用撥水熱伝導性構造体 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002243394A true JP2002243394A (ja) | 2002-08-28 |
Family
ID=18943805
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001088763A Pending JP2002243394A (ja) | 2001-02-20 | 2001-02-20 | 熱交換器用撥水熱伝導性構造体 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2002243394A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2010138910A (ja) * | 2008-12-15 | 2010-06-24 | Astrium Gmbh | 高温ガスチャンバ |
| JP2016044327A (ja) * | 2014-08-22 | 2016-04-04 | 三浦工業株式会社 | 熱交換器用部材及びその製造方法 |
-
2001
- 2001-02-20 JP JP2001088763A patent/JP2002243394A/ja active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2010138910A (ja) * | 2008-12-15 | 2010-06-24 | Astrium Gmbh | 高温ガスチャンバ |
| JP2016044327A (ja) * | 2014-08-22 | 2016-04-04 | 三浦工業株式会社 | 熱交換器用部材及びその製造方法 |
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