JP2005023334A

JP2005023334A - 蒸発器および熱交換器

Info

Publication number: JP2005023334A
Application number: JP2003187155A
Authority: JP
Inventors: Masami Nimata; 正美二俣; Kimio Nakanishi; 喜美雄中西; Eishin Ito; 英信伊藤; Yasutaka Hoshino; 泰孝星野
Original assignee: NOMURA KOSAN CO Ltd; NOMURA KOSAN KK; Hokkaido Technology Licensing Office Co Ltd
Current assignee: NOMURA KOSAN CO Ltd; NOMURA KOSAN KK; Hokkaido Technology Licensing Office Co Ltd
Priority date: 2003-06-30
Filing date: 2003-06-30
Publication date: 2005-01-27

Abstract

【課題】接触角の測定が不可能なほどの超親水性を有し、しかも耐熱性と耐食性に優れた安価な蒸発器を提供すること。
【解決手段】水と接触する接触部２と、接触部２を加熱して当該接触部２と接触した水を蒸発させる加熱手段３とを備え、接触部２は、金属、セラミックスまたは有機材料からなる基材２ａの表面に、廃乾電池の焙焼処理過程において生じる１次焙焼粉末または１次焙焼粉末を再焙焼した２次焙焼粉末で溶射皮膜２ｂを形成してなる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、蒸発器および熱交換器に関し、特に熱交換器や蒸発器などにおける熱伝達の向上に適用して有効な技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えばスチームアイロンには、水と接触してこれを蒸発させる接触部が設けられた蒸発器が備えられており、熱交換器には流体の熱が伝搬されるとともに前記水と接触する伝熱板が備えられている。接触部や伝熱板（以下、「接触部等」という。）は加熱手段や流体の熱で加熱され、これによって付着した水が蒸発し、あるいは熱交換が行われる。
【０００３】
ところで、上述のような接触部等における水や流体との接触面は、従来では、水の接触角が６０〜７０度程度で親水性が低いため、水に対するぬれ性が良好ではない。
【０００４】
ここで、親水性材料か否かは、所定量の水滴、例えば１．８ｍｍ^３の水滴を水平に設置した当該材料表面に接触させた際の水滴と材料表面とが形成する接触角で一般に評価される。すなわち親水性か否かは液滴法で測定した接触角によって評価されることが多い。ただし、親水性およびその逆の性質である撥水性（疎水性ともいう）の厳密な定義はなく通常、接触角が２０°〜３０°で親水性材料と称することが多い。
【０００５】
そして、熱交換器や蒸発器などにおける熱伝達の向上には、接触角が上記２０°〜３０°よりも小さいこと、好ましくは１０°以下、最も好ましくは水滴が短時間内に拡がり接触角自体の測定が不可能な超親水性であることが求められる。
【０００６】
熱交換器や蒸発器においては、水を加熱、蒸発させるための加熱器を備えている。これら機器の熱伝達効率を向上するには加熱器に接触した水が短時間内に加熱され、蒸気化することが必要であり、水との接触面を親水性、より好ましくは接触角の測定が不可能な超親水性に改質することが有効な手段になる。
【０００７】
加熱器に採用される接触面は、耐熱性および耐食性の向上を目的に溶射皮膜の被覆による表面改質が行われることがある。また積極的には、特開２０００−６４０２１号公報に開示のように、耐熱性、耐食性と同時に親水性を有する溶射皮膜を被覆することがある。
【０００８】
上述のように耐熱性、耐食性および親水性の３つの特性を兼ね備えた溶射皮膜は、例えば特開２０００−６４０２１号公報に開示の酸化物系セラミックス皮膜であり、その接触角は３°以下であり、場所によっては接触角の測定が不可能なほどの親水性があるとされている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、耐熱性、耐食性の向上を目的に使用される、例えばニッケル・クロム系合金材料、あるいは親水性の向上を目的に使用される酸化物系セラミックス材料は、特に粉末材料の場合には高価格である。このような価格上の理由から熱交換器や蒸発器などへの親水性溶射皮膜の応用は進んでいないのが現状であり、結果的にエネルギー損失を余儀なくされている。
【００１０】
また、蒸発潜熱による冷却効率の向上を目的に応用が検討されている光触媒作用を有する酸化チタン粉末もかなり高価格である。
【００１１】
上記材質の皮膜に限らず、溶射皮膜は塗膜に比べて一般に高価格である。この原因の１つは、溶射用粉末自体が高価格なためであり、したがって粉末材料が安価であれば溶射皮膜も当然、低価格で提供できることになる。
【００１２】
そこで、本発明は、接触角の測定が不可能なほどの超親水性を有し、しかも耐熱性と耐食性に優れた安価な蒸発器および熱交換器を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明に係る蒸発器は、水と接触する接触部と、前記接触部を加熱して当該接触部と接触した水を蒸発させる加熱手段とを備え、前記接触部は、金属、セラミックスまたは有機材料からなる基材の表面に、廃乾電池の焙焼処理過程において生じる１次焙焼粉末または前記１次焙焼粉末を再焙焼した２次焙焼粉末で溶射皮膜を形成してなることを特徴とする。
【００１４】
また、上記課題を解決するため、本発明に係る蒸発器は、水と接触する接触部と、前記接触部を加熱して当該接触部上の水を蒸発させる加熱手段とを備え、前記接触部は、廃乾電池の焙焼処理過程において生じる１次焙焼粉末または前記１次焙焼粉末を再焙焼した２次焙焼粉末を用いて作製されたことを特徴とする。
【００１５】
さらに、上記課題を解決するため、本発明に係る熱交換器は、流体と水との熱交換を行う熱交換器であって、前記流体が流通する流通路と、前記流通路を流通する前記流体の熱が伝搬されるとともに前記水と接触する伝熱板とを備え、前記伝熱板は、金属、セラミックスまたは有機材料からなる基材の表面に、廃乾電池の焙焼処理過程において生じる１次焙焼粉末または前記１次焙焼粉末を再焙焼した２次焙焼粉末で溶射皮膜を形成してなることを特徴とする。
【００１６】
そして、上記課題を解決するため、本発明に係る熱交換器は、流体と水との熱交換を行う熱交換器であって、前記流体が流通する流通路と、前記流通路を流通する前記流体の熱が伝搬されるとともに前記水と接触する伝熱板とを備え、前記伝熱板は、廃乾電池の焙焼処理過程において生じる１次焙焼粉末または前記１次焙焼粉末を再焙焼した２次焙焼粉末を用いて作製されたことを特徴とする。
【００１７】
このような発明によれば、接触角の測定が不可能なほどの超親水性を有し、しかも耐熱性と耐食性に優れた安価な蒸発器および熱交換器を得ることが可能になる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について、図面を参照しつつさらに具体的に説明する。ここで、添付図面において同一の部材には同一の符号を付しており、また、重複した説明は省略されている。なお、発明の実施の形態は、本発明が実施される特に有用な形態としてのものであり、本発明がその実施の形態に限定されるものではない。
【００１９】
なお、本発明でいう「親水性溶射皮膜（溶射皮膜）」および「親水性成形体（接触部、伝熱板）」は、その形状・寸法などによっていずれにも機能させ得るものであり、その概念は重複している。したがって、以下は主に親水性溶射皮膜について述べるが、親水性成形体についても同様である。
【００２０】
まず、本発明の親水性溶射皮膜は、金属、セラミックスまたは有機材料の表面に、廃乾電池の処理過程で生じる１次焙焼粉末または２次焙焼粉末を原材料とする皮膜を溶射法によって形成させて概略構成される。
【００２１】
本発明でいう上記１次焙焼粉末および２次焙焼粉末は、廃乾電池の処理過程で得られる。廃乾電池の処理工程は、例えば、特開２００３−１００３１１号公報並びに高温学会誌Ｖｏｌ．２８、Ｎｏ．２、ｐｐ．７８−８３（２００２）に記載の通りであり、概ね次のようである。
【００２２】
まず、廃乾電池を機械的に分解・解体して外筒用鉄片を除去後、炉内温度５００℃〜８００℃の連続炉で１次焙焼して焼滓とする。次に焼滓を炉外で冷却した後、粉砕・磁選・篩処理工程を経て得られた粉末が１次焙焼粉末である。１次焙焼粉末を炉内温度７００℃〜９５０℃で再焙焼したものが２次焙焼粉末である。
【００２３】
正極作用物質中に含まれる水銀は、１次焙焼および２次焙焼過程で回収される。なお、わが国で生産される電池は１９９６年以降、無水銀化されたが輸入品には水銀を含むものがある。１次焙焼粉末および２次焙焼粉末の組成は、前述した特開２００３−１００３１１号公報、および高温学会誌Ｖｏｌ．２８、Ｎｏ．２、ｐｐ．７８−８３（２００２）に記載の通り、酸化亜鉛、酸化マンガンが主成分であり、他に酸化鉄、酸化ナトリウム、酸化カリウム、酸化珪素、炭素、塩素などを若干含む。ただし、ナトリウムおよび、塩素は溶射過程で熱分解、消失し、２次焙焼粉末で作製した皮膜からは検出されない。
【００２４】
本発明の親水性溶射皮膜および親水性成形体は、上記組成の１次焙焼粉末または２次焙焼粉末を原材料として形成される。１次焙焼粉末と２次焙焼粉末は、成分組成がやや異なるものの、親水性溶射皮膜並びに親水性成形体への使用方法および作製方法は重複している。したがって、以下は主に２次焙焼粉末を用いた例について述べるが、１次焙焼粉末の場合についても同様である。
【００２５】
皮膜が形成される基材は、金属、セラミックスまたは有機材料であって特に限定されるものではない。ただし、溶射に際しては基材が加熱されるので、その熱によって基材が分解しないことが条件になる。具体的には、金属の例としてアルミニウム合金、銅合金、ニッケル合金、亜鉛合金、マグネシウム合金、チタン合金、炭素鋼、ステンレス鋼などの圧延材および鋳造品、セラミックスの例としてアルミナ、ジルコニア、マグネシア、炭化珪素、窒化珪素などの成形体、有機材料の例としてアクリル、ポリアミド（ＰＡ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリエチレン（ＰＥ）ポリエチエンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などの成形体を挙げることができる。
【００２６】
上記の基材表面に皮膜を形成する方法は、特に限定されるものではないが、完全なドライプロセスで成膜速度が大きい、基材の寸法形状に対する自由度が大きい、大気中での施工が可能など、多くの特徴を有する溶射法が最も好ましい。溶射法は、日本工業規格ＪＩＳＨ８２００に規定されている皮膜形成法の１つである。燃焼エネルギーまたは電気エネルギーを用いた熱源によって原材料を溶融または半溶融状態とし、高速で基材表面に衝突させ、粒子を扁平化して堆積し、皮膜を形成する。燃焼エネルギーを熱源に用いる溶射法には、ガスフレーム溶射、高速火炎溶射（ＨＶＯＦ）、爆発溶射、電気エネルギーを熱源に用いる溶射法にはプラズマ溶射、アーク溶射、レーザ溶射、爆線溶射など種々の方式があり、本発明はそのいずれにも適用可能である。なお、アーク溶射および爆線溶射を適用する場合には、焙焼粉末を例えば、特開平１１−２２２６６０号公報に開示の方法によって金属チューブ内に充填するなどワイヤ状に加工する必要がある。本発明の親水性溶射皮膜を最も安価に提供するには、焙焼粉末をそのまま使用可能なガスフレーム溶射、プラズマ溶射または高速火炎溶射などの粉末式溶射法を適用するのが好ましい。
【００２７】
粉末式溶射で用いる粒子径は例えば５μｍ〜１２５μｍ、溶射皮膜の厚さは例えば３０μｍ〜３５０μｍである。廃乾電池の焙焼処理過程で得られる粉末は、粒子同士が弱く結合した固まりを若干含んでいるものの、目開−１２５μｍの篩によって１２５μｍ以下の粉末を容易に得ることができる。親水性溶射皮膜および親水性成形体を作製する際に用いる焙焼粉末は、目開−１２５μｍの篩操作のみを施したもので良く、また目開の異なる数段階の篩を用いて粒度分布を、例えば５μｍ〜５０μｍ、１０〜１０６μｍ、４５〜１２５μｍの範囲に調整したものでも良い。ただし、篩処理回数や篩の段数を増すと処理時間が増大する結果、粉末の価格が上昇するので、当該粉末で作製した溶射皮膜や成形体も必然的に高価格になる。最も安価に親水性溶射皮膜および親水性成形体を提供するには、篩処理を単純化することであり、例えば目開−１２５μｍの篩で１回の処理を行うことが好ましい。
【００２８】
溶射施工に際しては、皮膜と基材との密着強度を高めるため、基材表面に予めグリッドブラストまたはショットブラスト処理を施して粗面化することが好ましい。ただし、高速火炎溶射の場合には粒子が高速で基材に衝突して食い込み密着強度を向上するので、ブラスト処理は施さなくともよい。
【００２９】
また、加熱−冷却のサイクルが高く、急激な温度変化によって溶射皮膜に亀裂や剥離が生じる恐れがある場合には、基材表面にまずアンダーコートとしてニッケル系合金などの金属皮膜を厚さ３０μｍ〜１００μｍ程度形成し、その上にトップコートとして当該粉末で溶射皮膜を形成するのがよい。
【００３０】
次に、本発明の別の実施形態について説明する。この別の実施形態に係わる親水性成形体は、１次焙焼粉末または２次焙焼粉末を原材料として作製される。成形法は特に限定されるものではなく、常圧または加圧条件下での焼結法あるいは他の成形法が適用できる。成形体の相対密度を高くして機械的強度を上げる必要がある場合には加圧成形が好ましく、例えば、成形と焼結とを同時に行うホットプレスが応用できる。
【００３１】
焼結または他の方法によって成形体とする場合、粉末の成形性を良くするために有機物系結合剤を２質量％〜５質量％添加することができる。この結合剤は焼結工程で熱分解し、放出されるので、添加量が多すぎると常圧焼結の場合には成形体が膨張し、また内部の気孔が増加して相対密度は必然的に低下する。焼結温度は、常圧焼結では９００℃〜１３００℃、ホットプレスでは７００℃〜１１００℃を適用するのが好ましい。
【００３２】
なお、１次焙焼粉末または２次焙焼粉末には、セラミックスまたは金属粉末、あるいはこれらの両方を添加してもよい。
【００３３】
そして、以上説明した１次焙焼粉末の価格は、一般的な溶射用粉末材料の２００分の１以下、２次焙焼粉末の価格は１００分の１以下であり、著しく安価である。したがって、これら焙焼粉末で作製した溶射皮膜や成形体は、耐熱性と耐食性に優れた安価なものになる。
【００３４】
このような親水性溶射皮膜および親水性成形体は、例えば、水を蒸発させるための蒸発器に採用することができる。
【００３５】
ここで、水と接触する接触部に本発明の親水性溶射皮膜および親水性成形体が用いられた蒸発器の一例を図１に示す。
【００３６】
図１において、蒸発器１は、水と接触する接触部２と、この接触部２を加熱して接触部２と接触した水を蒸発させる加熱手段３とを備えている。そして、接触部２が、前述した基材２ａおよび基材２ａの表面に形成された溶射皮膜２ｂで構成されている。なお、接触部２は親水性成形体で構成してもよい。加熱手段３は、基材２ａ内に配置された電熱線である。但し、基材２ａ内に高温の熱媒体を流通するようにし、これを加熱手段としてもよい。
【００３７】
このような蒸発器１では、加熱手段３に通電されるとこれが電気抵抗により発熱して接触部２が加熱される。これにより、溶射皮膜２ｂに付着した水が加熱されて蒸発する。この際、溶射皮膜２ｂに付着した水は、溶射皮膜２ｂの親水性が高いために速やかに薄い膜状に広がるので効率的に加熱され、その結果速やかに蒸発する。
【００３８】
上述のような蒸発器は、例えばスチームアイロンのスチーム発生機構に採用することができる。ここで、本発明の蒸発器が用いられたスチームアイロンの一例を図２に示す。
【００３９】
図２において、スチームアイロン１０は、所定の重量を有して衣服等との接触面である底面が平坦に形成された加熱部１１と、水が貯留される水タンク１２と、これらを一体に保持する本体部１３とを備えている。加熱部１１は図１において説明した蒸発器１で、具体的に説明すれば、衣服と接触する基材２ａと、水タンク１２と所定の間隔を空けて設けられた溶射皮膜２ｂと、基材２ａ内に配置された加熱手段３とで構成されている。なお、加熱部１１にはスチーム噴出口１５が設けられている。
【００４０】
このようなスチームアイロン１０において操作ボタン１４を操作すると、水タンク１２内に貯留された水が加熱部１１上、すなわち溶射皮膜２ｂに落下する。落下した水は加熱されて水蒸気になり、スチーム噴出口１５から噴出される。
【００４１】
このとき、加熱部１１上に落下した水は、溶射皮膜２ｂにより瞬時に膜状に広がって効率的に加熱されて水蒸気になる。このため、スチーム噴出口１５からは安定して水蒸気が噴出されるので、水タンク１２からの水滴が水蒸気にならずにそのままの状態で噴出することはなくなる。また、溶射皮膜２ｂは耐熱性に優れており加熱部１１の熱変化等に起因する剥離などの損傷を受け難いので、剥離した溶射皮膜２ｂが異物としてスチーム噴出口１５から噴出され、衣服等を汚染するおそれがない。
【００４２】
さらに、前述した親水性溶射皮膜および親水性成形体は、例えば、流体と水との熱交換を行う熱交換器に採用することができる。
【００４３】
ここで、伝熱板に本発明の親水性溶射皮膜および親水性成形体が用いられた熱交換器の一例を図３に示す。
【００４４】
図３に示す熱交換器２０はフィンチューブ型であり、相互に平行に並べられた多数枚のフィン（伝熱板）２１と、各フィン２１を貫通して内部に流体が流れる数本のチューブ（流通路）２２とを備えている。そして、フィン２１が、前述した基材２ａおよび基材２ａの表面に形成された溶射皮膜２ｂで構成されている。なお、フィン２１は親水性成形体で構成してもよい。
【００４５】
このような熱交換器２０は、流体加熱器または流体冷却器として利用することができる。すなわち、加熱対象あるいは冷却対象の流体をチューブ２２内に流通させ、フィン２１に熱湯あるいは冷水を供給する。これにより、フィン２１を介して熱湯や冷水の熱でチューブ２２が加熱され、チューブ２２内を流れる流体が加熱あるいは冷却される。
【００４６】
なお、本発明の親水性溶射皮膜および親水性成形体は、これ以外にも、耐熱性と親水性とが同時に要求される各種の機器に適用することができる。
【００４７】
【実施例】
次に、実施例および比較例を示して本発明をさらに詳細に説明するが、これらに限定されるものではない。
（実施例１）
【００４８】
廃乾電池の処理過程で生じた２次焙焼粉末を篩に掛けて、粒径１２５μｍ以下に分級した。次に、当該粉末を溶射材料として粉末式ガスフレーム溶射装置によって、厚さ１５０μｍ、２５０μｍ、３５０μｍの皮膜をアルミニウム基材（縦・横１００ｍｍ、厚さ４ｍｍ）に形成して、親水性を評価するための試験片を作製した。
【００４９】
上記溶射装置としては、メテコ社製５Ｐ型を用いた。本装置は、他の粉末式ガスフレーム溶射装置と同様、トーチと、そのトーチに燃焼ガスとして酸素（Ｏ_２）およびアセチレンガス（Ｃ_２Ｈ_２）を精度良く供給するコントロールユニットと、ホッパ内の粉末を橋絡することなくスムーズにトーチに供給するために振動を与えるバイブレータと、ガスフレーム内で溶融または半溶融状態になった粒子を加速し、皮膜と基材との密着強度を上げるための圧縮空気のコントロールユニットから構成されている。
【００５０】
試験片の作製に用いたガス流量、ガス圧力、トーチと基材との距離（溶射距離）およびトーチ移動速度（溶射速度）の条件を表１に示す。
【表１】

【００５１】
表１の条件によれば、ガスフレームそのものの最高温度はトーチの出口付近において約３１００℃に達するが、溶射距離が大きくなるに伴って温度は順次低下する。したがって、基材が金属またはセラミックスの場合には表１の条件をそのまま適用できるが、耐熱性の低い樹脂材料のような場合には、溶射距離を表１の条件よりも大きくしなければならない。例えば、溶射距離を２５０ｍｍに設定すると、基材の表面温度を８０℃程度に制御できるので、プラスチックへの皮膜形成も可能になる。
【００５２】
上記実施例においては、溶射皮膜の形成に際し、前処理として基材表面を溶融アルミナグリッドによるブラスト処理を行って粗面化した。ブラスト処理は、基材表面の酸化物や汚れの除去、並びに凹凸の形成によって溶融または半溶融状態の粒子を食い込ませる、いわゆる投錨効果によって皮膜の密着強度を向上させる上で有効である。
【００５３】
次に、上記の方法で作製した試験片を対象に親水性の評価を行った。既に述べたように、親水性あるいはその逆の性質である撥水性は、水滴が固体表面に接触した際に形成される接触角で評価される。ところが、本発明による皮膜では水滴が表面に接触すると瞬時に拡がり、高精度の全自動接触角計を用いても測定が不可能である。
【００５４】
公知のように、親水性か否かは接触角θによって評価され、水滴が固体表面をぬらす現象は、θ＞９０°の付着ぬれ、０°＜θ≦９０°の浸漬ぬれ、θ＝０°の拡張ぬれの３つに区分される。本発明による親水性皮膜は拡張ぬれに相当し、後述のように表面を研磨した場合を除くといずれもθ＝０°である。したがって、親水性に及ぼす皮膜厚さや基材温度の影響を接触角のみで評価することができない。そこで、着滴直径という概念を新たに導入した。着滴直径は、固体表面に接触した水滴が同心円状に自然に拡がって材料表面をぬらした部分の直径である。
【００５５】
着滴直径の測定は、次の方法で行った。まず全自動接触角計（協和界面科学製ＣＡ−Ｗ１５０型）に付属の外径０．７ｍｍ、内径０．４ｍｍのディスペンサ先端に垂れ下がった容積３ｍｍ^３の水滴（蒸留水）に試験片表面を接触させ、水滴の拡がる様子を高速度ビデオカメラ（フォトロン製ＦＡＳＴＣＡＭｕｌｔｉｍａ４０Ｋ）によって撮影した。次に、得られた画像から着滴直径と時間との関係を求めた。ところで、水滴が当該溶射皮膜の面に拡がる様子を詳細に観察すると、着滴直径が４ｍｍ程度に成長するまでに要する時間は７×１０^−３秒と極めて短いが、それ以上の直径では成長速度は順次低下し、最大直径に至るには１５秒程度を要することが明らかになった。本発明の皮膜をスチームアイロンのような蒸発器に適用する場合には、水滴が蒸発面に接触した初期段階の着滴直径が重要になる。そこで、水滴の接触後２２×１０^−３秒までの観察には２２５０フレーム／秒の撮影条件を採用し、それ以降、最大着滴直径に至るまでの全体像の観察には２５０フレーム／秒の撮影条件を採用した。なお、着滴直径には若干のばらつきがあるので、同一の溶射条件で作製した４個の試験片を対象に、１試験片当たり３回、合計１２回撮影したデータを基に着滴直径と時間の関係を求めた。
【００５６】
図４は、水滴が皮膜に接触後０．２×１０^−３秒、３×１０^−３秒後および２２×１０^−３秒における水滴の拡がり状況を示す写真の一例である。水滴は接触後、瞬時に拡がって２０×１０^−３秒後の着滴直径は５ｍｍを超えている。
【００５７】
図５は、皮膜厚さ１５０μｍ、２５０μｍ、３５０μｍ、表面温度２０℃の試験片について、２２５０フレーム／秒の条件で撮影した水滴の接触初期段階における着滴直径と時間の関係を示したものである。着滴直径が４ｍｍ程度になるまでの時間は１０×１０^−３秒以下と極めて短く、それ以降では順次遅くなる傾向が見られるものの、２０×１０^−３秒後にはいずれの場合にも着滴直径が５ｍｍを超えている。
【００５８】
体積３ｍｍ^３の水滴が直径５ｍｍの液膜として平滑面に一様に拡がると仮定すると、液膜厚さは約１５０μｍになる。ただし、本発明の溶射皮膜には算術平均粗さＲａ＝１０μｍ〜２０μｍの微細な凹凸があり、また大気中で作製した皮膜内部には１０体積％前後の微細な気孔が存在する。このような皮膜に接触した水滴は表面に拡がると同時に、一部は毛細管現象によって内部に浸透することになる。したがって、皮膜表面の見かけの液膜厚さは１５０μｍよりもさらに薄くなり、当該皮膜を蒸発器に適用した場合には水滴は瞬時に加熱され、蒸気化することになる。
【００５９】
なお、図５に見られる着滴直径のばらつきは、皮膜が薄い場合に大きく、厚くなるに従い小さくなる傾向がある。これは溶射皮膜に存在する気孔のランダム性に起因すると考えられる。すなわち、皮膜が薄い場合には、気孔の寸法形状や分布状態のランダム性が着滴直径に直接反映されやすく、皮膜が厚い場合には、気孔のランダム性が平均化されるためと考えられる。
【００６０】
表２は、水滴の拡がり状況の全体像を観察するために、２５０フレーム／秒で撮影した画像を基に、着滴直径が１０ｍｍになるまでの平均所要時間、および平均最大直径とそれに至るまでの平均所要時間について整理したものである。
【表２】

【００６１】
表２において、着滴直径が１０ｍｍになるまでの所要時間は皮膜が厚くなるのに従ってやや長くなる傾向がある。これは、水滴の皮膜内部へ浸透しようとする力が厚さの増加と共に大きくなり、表面に拡張しようとする力を阻害したためと考えられる。
【００６２】
また表２において、最大着滴直径は皮膜が厚くなるのに従って若干小さくなる傾向がある。これは、皮膜が厚くなると内部方向へ浸透する水の割合が大きくなるためである。なお、最大直径に至るまでの所要時間には皮膜厚さによる大きな違いは認められないが、これは、水滴が皮膜表面に拡がり、内部に浸透して両者が平衡状態になる時間がほぼ一定になるためと考えられる。
（実施例２）
【００６３】
次に、着滴直径と時間の関係に及ぼす表面温度の影響について、皮膜厚さ２５０μｍの場合を対象に実施例１と同様の方法により高速度ビデオ観察データを基に解析した結果を図６に示す。この場合の皮膜表面温度は、全自動接触角計に付属の温度コントロールシステムを用い２０℃、５０℃、８０℃および１００℃に設定した。
【００６４】
図６から着滴直径は、１０×１０^−３秒程度までは表面温度の影響をほとんど受けていないが、それ以上の時間では小さくなる傾向がある。これは温度上昇に伴う水の蒸発が原因と推測される。
【００６５】
ところで、着滴直径は固体表面を水が流動する能力としての流動性を結果的に現している。流動性は水の粘性と表面張力、固体および固液界面の表面張力などの因子が複雑に影響し合った性質である。したがって、着滴直径は固体表面の粗さの影響を受け、溶射したままの皮膜と研磨した場合とでは異なることが予想される。
【００６６】
すなわち、微細な凹凸の存在によって表面積が平滑面の場合よりもｒ倍大きくなったと仮定すると、固体の表面張力γ_Ｓと固液界面の表面張力γ_ＳＬはｒ倍となり、Ｙｏｕｎｇの接触角θと見かけの接触角θ_ｆ（Ｗｅｎｚｅｌの接触角）との間にｃｏｓθ_ｆ＝ｒ（γ_Ｓ −γ_ＳＬ）／γ_Ｌ＝ｒｃｏｓθが成り立つ。ｒは１よりも常に大きいので、ｃｏｓθが正（θ＜９０°）または負（θ＞９０°）かによって、ｃｏｓθはより大きな正、またはより大きな負の値になる。つまり、表面に凹凸が存在すると、撥水性を示す面では撥水性がさらに向上して接触角が大きくなり、ぬれやすい面ではさらにぬれやすくなって接触角が小さくなることになる。
【００６７】
上記の理由から、皮膜表面を研磨した場合には水滴の拡がり速度は小さくなることが予想される。そこで、２次焙焼粉で作製した溶射皮膜の表面をＧＣ砥石によって算術平均粗さＲａ＝５．３６μｍに研磨した試験片について、水滴の拡がり状況を実施例１と同様、高速度ビデオカメラを用いて観察した。ただし、研磨した試験片では水滴の拡がり速度が遅いことから、３０フレーム／秒の条件で撮影し、水滴接触後１０秒ごとの静止画像から接触角を求めた。その結果を図７に示す。
【００６８】
図７から、研磨した試験片では肉眼で観察できる接触角を形成し、時間の経過と共に順次小さくなるものの、接触角がゼロになるには１５０秒前後を要することが分かる。なお、この場合の最大着滴直径は約１０ｍｍであった。これは表面粗さＲａ＝１０μｍ〜２０μｍの溶射したままの皮膜では水滴が瞬時に拡がり、接触角が測定できないのと極めて大きな違いである。したがって、本発明の溶射皮膜を熱交換器、蒸発器、その他に適用する際には、研磨をせずそのまま使用するのが最適であり、このことはコスト低減の上からも好ましい。
【００６９】
溶射皮膜と基材との密着強度は最も重要な因子の１つであり、密着強度試験方法が日本工業規格（ＪＩＳ）に規定されている。本発明の２次焙焼粉末で作製した溶射皮膜の密着強度は、例えば特開２００３−１００３１１号公報で開示のように、常温の下では５０ＭＰａ以上であり、アルミナセラミックス皮膜の場合よりもむしろ大きい。しかし、本発明の皮膜を熱交換器や蒸発器などに適用する場合には、加熱−冷却サイクルに伴う耐熱性を知る必要がある。
（比較例１）
【００７０】
そこで、アルミニウム基材（縦・横１００ｍｍ、厚さ４ｍｍ）に各種親水性皮膜を形成した試験片を対象に加熱−冷却試験を実施した。すなわち、電気炉中で加熱温度２５０℃、３００℃、４５０℃、６００℃で１０分間保持後、炉中から取り出して大気中で常温まで冷却する操作を最大１０回まで繰り返し、その外観状態を目視および倍率１５のルーペを用いて亀裂や剥離の有無を観察した。その結果を表３に示す。なお、表３において耐熱性の評価基準は、○：亀裂、剥離の発生なし、△：微細な亀裂が発生、×：剥離、劣化が著しいを意味する。
【表３】

【００７１】
２次焙焼粉末で作製した溶射皮膜ではいずれの加熱−冷却試験においても亀裂や剥離が認められない。これに対し例えば、アルミナセラミックスを直接基材に溶射したものでは３００℃以上１回の加熱−冷却で微細な亀裂が若干生じ、亀裂は加熱−冷却サイクルの増加と共に成長し、増加した。
（比較例２）
【００７２】
親水性塗膜として市販のスチームアイロンの蒸気発生部に用いられる樹脂塗料（日産化学株式会社、商品名“スノーテックス”）を厚さ約１００μｍに塗布した試験片の結果を表３に示す。この場合には２５０℃の加熱−冷却サイクル１回で亀裂の発生が認められ、加熱温度が３００℃以上では著しい高温劣化が認められた。
【００７３】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば以下の効果を奏することができる。
【００７４】
すなわち、廃乾電池の処理過程で生じる大部分が未利用の１次焙焼粉末および２次焙焼粉末を利用しているので、接触角の測定が不可能なほどの超親水性を有し、しかも耐熱性と耐食性に優れた安価な蒸発器および熱交換器が得られる。
【００７５】
また、このような新規の用途により、現在約２０％の廃乾電池の回収率をさらに高める原動力にもなり、結果的に環境保全に資する。
【図面の簡単な説明】
【図１】接触部に本発明の親水性溶射皮膜および親水性成形体が用いられた蒸発器の一例を示す概略図である。
【図２】本発明の蒸発器が用いられたスチームアイロンの一例を示す側面図である。
【図３】伝熱板に本発明の親水性溶射皮膜および親水性成形体が用いられた熱交換器の一例を示す斜視図である。
【図４】本発明の溶射皮膜の親水性を示す高速度ビデオ写真である。
【図５】本発明の親水性溶射皮膜における着滴直径と時間の関係を示す図である。
【図６】本発明の親水性溶射皮膜における着滴直径と時間の関係に及ぼす皮膜表面温度の影響を示す図である。
【図７】本発明の溶射皮膜を研磨した場合の接触角と時間の関係を示す図である。
【符号の説明】
１蒸発器
２接触部
２ａ基材
２ｂ溶射皮膜
３加熱手段
１０スチームアイロン
１１加熱部
１２水タンク
１３本体部
１４操作ボタン
１５スチーム噴出口
２０熱交換器
２１フィン（伝熱板）
２２チューブ（流通路）

Claims

水と接触する接触部と、
前記接触部を加熱して当該接触部と接触した水を蒸発させる加熱手段とを備え、
前記接触部は、金属、セラミックスまたは有機材料からなる基材の表面に、廃乾電池の焙焼処理過程において生じる１次焙焼粉末または前記１次焙焼粉末を再焙焼した２次焙焼粉末で溶射皮膜を形成してなることを特徴とする蒸発器。
前記溶射皮膜の厚さは３０μｍ〜３５０μｍであることを特徴とする請求項１記載の蒸発器。
前記基材と前記溶射皮膜との間には金属製のアンダーコート皮膜が形成されていることを特徴とする請求項１または２記載の蒸発器。
水と接触する接触部と、
前記接触部を加熱して当該接触部上の水を蒸発させる加熱手段とを備え、
前記接触部は、廃乾電池の焙焼処理過程において生じる１次焙焼粉末または前記１次焙焼粉末を再焙焼した２次焙焼粉末を用いて作製されたことを特徴とする蒸発器。
前記１次焙焼粉末または前記２次焙焼粉末には、セラミックスおよび金属粉末の少なくとも何れかが添加されていることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の蒸発器。
スチームアイロンに用いられることを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載の蒸発器。
流体と水との熱交換を行う熱交換器であって、
前記流体が流通する流通路と、
前記流通路を流通する前記流体の熱が伝搬されるとともに前記水と接触する伝熱板とを備え、
前記伝熱板は、金属、セラミックスまたは有機材料からなる基材の表面に、廃乾電池の焙焼処理過程において生じる１次焙焼粉末または前記１次焙焼粉末を再焙焼した２次焙焼粉末で溶射皮膜を形成してなることを特徴とする熱交換器。
前記溶射皮膜の厚さは３０μｍ〜３５０μｍであることを特徴とする請求項７記載の熱交換器。
前記基材と前記溶射皮膜との間には金属製のアンダーコート皮膜が形成されていることを特徴とする請求項７または８記載の熱交換器。
流体と水との熱交換を行う熱交換器であって、
前記流体が流通する流通路と、
前記流通路を流通する前記流体の熱が伝搬されるとともに前記水と接触する伝熱板とを備え、
前記伝熱板は、廃乾電池の焙焼処理過程において生じる１次焙焼粉末または前記１次焙焼粉末を再焙焼した２次焙焼粉末を用いて作製されたことを特徴とする熱交換器。
前記１次焙焼粉末または前記２次焙焼粉末には、セラミックスおよび金属粉末の少なくとも何れかが添加されていることを特徴とする請求項７〜１０の何れか一項に記載の熱交換器。
前記熱交換器機は流体加熱器または流体冷却器であることを特徴とする請求項７〜１１の何れか一項に記載の熱交換器。