JP2015193922A - Liquid repellent surface fine structure, production method thereof, heat exchanger, and component of air conditioner - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、撥水化する表面微細構造並びにその表面微細構造を製造する方法、および表面微細構造を有する熱交換器のフィン、および熱交換器に関する。 The present invention relates to a surface microstructure that is water repellent, a method for manufacturing the surface microstructure, a fin of a heat exchanger having the surface microstructure, and a heat exchanger.
空気調和機を構成する熱交換器は、内部を冷媒が流れるチューブと、チューブに熱的に結合されるフィンとを備えており、チューブ内の冷媒と、フィン間を通る空気との間で熱交換を行う。
熱交換器のフィンへの結露、着霜により、フィン間の通風抵抗が大きくなることによる効率の低下や、フィンから空調空間への水飛びが生じるのを避けるため、フィンの表面には親水性または撥水性を与えるコーティングが施される。フィンは、典型的にはアルミニウムを用いて形成されており、アルミニウム材の表面はやや親水性を示すが、それよりも親水性を高め、あるいは十分な撥水性を与えることが望まれる。
親水性が十分に高いと、水がフィンの表面に沿って拡がるので、結露、着霜してもフィン間の通風抵抗を抑えられる。また、親水性が十分に高いことでフィンの表面に水が保持されるので、水飛びを抑えられる。
一方、撥水性が十分に高いと、フィンの表面に水分が付着し難いために、水や霜が大きな塊を形成しないので、フィン間の通風抵抗を抑えることができる。
The heat exchanger constituting the air conditioner includes a tube through which a refrigerant flows and fins that are thermally coupled to the tube, and heat is generated between the refrigerant in the tube and the air passing between the fins. Exchange.
The surface of the fin is hydrophilic in order to avoid a decrease in efficiency due to increased ventilation resistance between the fins due to condensation and frost formation on the heat exchanger fins, and to prevent water splashing from the fins to the air-conditioned space. Or the coating which gives water repellency is given. The fins are typically formed using aluminum, and the surface of the aluminum material is slightly hydrophilic, but it is desired that the fins have a higher hydrophilicity or sufficient water repellency.
If the hydrophilicity is sufficiently high, water spreads along the surface of the fin, so that the airflow resistance between the fins can be suppressed even if condensation or frost forms. Moreover, since water is hold | maintained on the surface of a fin because hydrophilicity is high enough, water jumping can be suppressed.
On the other hand, if the water repellency is sufficiently high, moisture hardly adheres to the surface of the fin, so that water and frost do not form a large lump, so that airflow resistance between the fins can be suppressed.
ここで、フッ素系樹脂に代表される撥水性材料を用いた撥水性コーティングや、シリコーン系樹脂などの親水性材料を用いた親水性コーティングを材の表面に施すことにより、必要な撥水性または親水性を得ることが行われている。
また、親水性および撥水性は、材の化学的特性に依存するほか、材の表面の粗さにも依存する。表面に微細な凹凸を形成することによって表面の粗さを大きくするほど、材の表面が平滑であるときに示す親水性/撥水性が強調されること(Wenzelの式)が知られている。
特許文献1では、アルミニウム部材(フィン)を酸に浸漬することで表面に凹凸構造を形成した後、フッ素系樹脂材料などを用いて撥水性コーティングを施すことにより、撥水性コーティングを単体で施した場合よりも撥水化している。
Here, a water-repellent coating using a water-repellent material typified by a fluorine-based resin or a hydrophilic coating using a hydrophilic material such as a silicone-based resin is applied to the surface of the material, so that the necessary water-repellent or hydrophilic property is obtained. Getting sex is done.
Further, hydrophilicity and water repellency depend not only on the chemical properties of the material but also on the surface roughness of the material. It is known that as the surface roughness is increased by forming fine irregularities on the surface, the hydrophilicity / water repellency exhibited when the surface of the material is smooth is emphasized (Wenzel's formula).
In
熱交換器のフィンのコーティングは、フィンを成形するシート材、あるいはフィンとチューブとが組み付けられた組付体をコーティング液に浸漬することで行われる。
そのため、コーティングを行うためには、フィンのサイズに適合するコーティング液を貯留する液槽と、液槽を満たすコーティング液とが必要となり、これらのコーティング液や液槽に相応のコストが掛かる。
また、フィンの成形、チューブとの組み付けとは別途、コーティングを行う工程が必要となる。コーティング前には、酸洗浄、水洗、下地の化成処理等を必要とし、コーティング後には焼成を行うので、工程が嵩み、時間も掛かる。
さらに、特に屋外に設置される熱交換器のフィンにコーティングを施す場合、長期の使用にも耐えるコーティングの耐久性を確保することが難しい。
そこで、本発明は、コーティングによらずに、撥水化することが可能な表面微細構造並びにその製造方法を提供することを目的とする。
The fin of the heat exchanger is coated by immersing a sheet material for forming the fin or an assembly in which the fin and the tube are assembled in a coating solution.
Therefore, in order to perform coating, a liquid tank that stores a coating liquid that matches the size of the fin and a coating liquid that fills the liquid tank are required, and these coating liquids and liquid tanks require a corresponding cost.
In addition, a step of coating is required separately from the formation of the fin and the assembly with the tube. Before coating, acid washing, washing with water, chemical conversion treatment of the base, etc. are required, and baking is performed after coating, so the process is bulky and takes time.
Furthermore, particularly when coating is applied to the fins of heat exchangers installed outdoors, it is difficult to ensure the durability of the coating that can withstand long-term use.
Accordingly, an object of the present invention is to provide a surface microstructure that can be made water repellent and not a coating, and a method for manufacturing the same.
また、空気調和機が使用される環境等によっては、防汚等の観点から、油滴の付着する部位の撥油が要求される場合がある。本発明の目的は、撥水化に留まらず、撥油化も含む。本発明は、広く、液に接触する部材を撥液化することを目的とする。 In addition, depending on the environment where the air conditioner is used, there is a case where oil repellency of a portion to which oil droplets adhere is required from the viewpoint of antifouling. The object of the present invention is not limited to water repellency but also includes oil repellency. An object of the present invention is to make a member in contact with a liquid repellent widely.
上述したように、表面に凹凸が形成されていると、撥水性または親水性を十分に得るために有用であることは知られている。撥水性または親水性を極限まで高めるために、理論上、究極の表面粗さおよび表面積が得られるフラクタル構造を模擬するための研究が行われてきた。
しかし、従来の研究は、表面構造の全体の表面粗さを指向しており、凹凸のある表面構造を構成する凹部あるいは凸部などの個々の要素が、具体的にどのような形状であれば撥水化あるいは親水化に有効であるのかについては、特定されるに至っていない。
ところで、空気中で針の先に付着した液滴は、表面エネルギが安定した状態となるように、周囲の空気をよけるようにまとまる結果、球状となる。空気の接触角は、180°である(最大の接触角)。
また、接触角が異なる2つの成分から形成された複合面の一方の成分が空気の場合の接触角を規定するCassie−Baxterの式(下記の式(1))が知られている。
However, conventional research has been directed to the overall surface roughness of the surface structure, and what is the specific shape of the individual elements such as recesses or protrusions that make up the uneven surface structure? Whether it is effective for water repellency or hydrophilicity has not yet been specified.
By the way, as a result of the liquid droplets adhering to the tip of the needle in the air being gathered so as to avoid the surrounding air so that the surface energy is stable, the droplets become spherical. The contact angle of air is 180 ° (maximum contact angle).
A Cassie-Baxter equation (the following equation (1)) that defines a contact angle when one component of a composite surface formed from two components having different contact angles is air is known.
ここで、rは、投影面積に対する実際の表面積の割合であり(表面粗さ)、1を超えた値をとる(r>1)。
fは、複合面において液滴が材(固体)と接している面積の割合であり、0以上、1以下の値をとる(0≦f≦1)。
θCBは、材と液滴とがなす実際の接触角である。
θeは、材に液滴を静置した場合の接触角である。
θairは、空気と液滴とがなす接触角(180°)である。
上記の式(1)より、材と液滴との間に空気が巻き込まれると(f>0)、θCB>θeとなるため、撥水化される。材に液滴が点接触していると(fが小)より撥水化される。
Here, r is the ratio of the actual surface area to the projected area (surface roughness) and takes a value exceeding 1 (r> 1).
f is the ratio of the area where the droplet contacts the material (solid) on the composite surface, and takes a value of 0 or more and 1 or less (0 ≦ f ≦ 1).
θ CB is the actual contact angle between the material and the droplet.
θe is a contact angle when a droplet is allowed to stand on a material.
θ air is a contact angle (180 °) between the air and the droplet.
From the above formula (1), when air is caught between the material and the droplet (f> 0), θ CB > θe, so that water repellency is achieved. When the droplet is in point contact with the material (f is small), the water repellent property is obtained.
上記のように、材と液滴との間に空気が巻き込まれると撥水化される。とすれば、具体的にどのような表面形状であれば空気の巻き込み現象が発生するのかしないのか、突き止めることができれば、接触角を制御できると考えられる。
上記の着想に基づいて、本発明の発明者が実験を行いながら鋭意探求した結果、本発明が完成された。
As described above, when air is entrained between the material and the liquid droplets, it becomes water repellent. If so, it can be considered that the contact angle can be controlled if the surface shape can be specifically determined whether or not the air entrainment phenomenon occurs.
Based on the above idea, the inventor of the present invention diligently searched while conducting experiments, and as a result, the present invention was completed.
本発明の表面構造は、材の表面と、表面に形成された複数の溝と、を備える。
そして、本発明は、材の平滑面と液滴とがなす接触角をθeとすると、溝の幅に対する深さの比率が、1/tanθeである基本クライテリアよりも大であって撥水性を発現することを特徴とする。
以下、材のことを接触対象と呼ぶことがあり、溝の幅に対する深さの比率のことをアスペクト比と呼ぶことがある。
The surface structure of the present invention includes a surface of a material and a plurality of grooves formed on the surface.
In the present invention, when the contact angle between the smooth surface of the material and the liquid droplet is θe, the ratio of the depth to the groove width is larger than the basic criterion of 1 / tan θe and expresses water repellency. It is characterized by doing.
Hereinafter, the material may be referred to as a contact target, and the ratio of the depth to the groove width may be referred to as an aspect ratio.
基本クライテリアは、表面微細構造を構成する溝の形状(深さと幅の関係)に応じて、空気の巻き込みが生じるか否かが決まる事象を捉えることによって設定される。この基本クライテリアは、溝が形成された表面微細構造の撥水化および親水化の境界を決定するものであり、溝の幅に対する深さの比率が基本クライテリアを上回るほど撥水化し、下回るほど親水化する。
したがって、基本クライテリアよりも大きい領域内で溝の幅に対する深さを定めることにより、必要な撥水性を得ることができる。
The basic criteria are set by capturing an event that determines whether air entrainment occurs or not according to the shape of the groove (depth-width relationship) that forms the surface microstructure. This basic criteria determines the boundary between water repellency and hydrophilization of the surface microstructure where the grooves are formed, and water repellency increases as the ratio of the depth to the groove width exceeds the basic criteria, and decreases as it decreases. Turn into.
Therefore, the required water repellency can be obtained by determining the depth with respect to the width of the groove within a region larger than the basic criteria.
本発明によれば、撥水性を与えるコーティングを施す必要なく、表面に基本クライテリアから導かれる形状の溝を形成することにより、必要な撥水性を与えることが可能となる。
コーティングを廃止すると、コーティング液、液槽のコストが不要となり、コーティングに付随する下地処理、焼成等も不要となるので、製造コストを抑えて効率よく製造することができる。
その上、樹脂コーティングの耐久性、強度よりも、典型的には金属から形成される材の素地の耐久性、強度の方が高い場合が多いので、屋外の長期使用の使用にも耐える耐久性や、衝撃に耐える強度を容易に確保できる。
According to the present invention, it is possible to provide necessary water repellency by forming a groove having a shape guided from the basic criteria on the surface without the need to provide a coating that imparts water repellency.
If the coating is abolished, the cost of the coating liquid and the liquid tank is not required, and the base treatment, baking, etc. associated with the coating are not required, so that the manufacturing can be efficiently performed while suppressing the manufacturing cost.
In addition, the durability and strength of the base material typically made of metal is often higher than the durability and strength of the resin coating, so it can withstand long-term outdoor use. In addition, the strength to withstand impact can be easily secured.
上記の基本クライテリアは、材の表面に配置された液滴が、溝の幅方向の一方の端縁から溝内に浸入する過程で、溝の底部に到達しないで溝の他方の端縁にまで到達する事象を捉えることで設定される。液滴が、溝の底部に到達せず、溝を跨ぐようにして(ブリッジして)溝の他方の端縁にまで到達する場合は、基本クライテリアよりも大(撥水化)に該当する。 In the above basic criteria, the droplet placed on the surface of the material enters the groove from one edge in the width direction of the groove and does not reach the bottom of the groove and reaches the other edge of the groove. It is set by capturing the event that arrives. When the droplet does not reach the bottom of the groove but reaches the other end of the groove so as to cross the groove (bridge), it corresponds to a larger (water-repellent) than the basic criteria.
接触角の測定値はバラツキ易いので、誤差を含む。そのため、接触角を接触角測定値に対して10%大きくした場合の基本クライテリアに対して大となるように、溝の幅に対する深さの比率を定めることができる。つまり、接触角の測定値(あるいはデータシート等の値)を10%増で読み替えて基本クライテリアを策定すれば、ブリッジ現象を確実に生じさせて撥水性を発現させることができる。
あるいは、接触角を10%小さくした場合の基本クライテリアに対して大となるように、溝の幅に対する深さの比率を定めることも許容される。その場合でも、ブリッジ現象が生じることで、撥水性を発現させることができる。
Since the measured value of the contact angle tends to vary, it includes an error. Therefore, the ratio of the depth to the groove width can be determined so as to be larger than the basic criteria when the contact angle is increased by 10% with respect to the measured contact angle. That is, if the basic criteria are formulated by reading the contact angle measurement value (or the data sheet value, etc.) with an increase of 10%, the bridging phenomenon can surely occur and the water repellency can be expressed.
Alternatively, it is allowed to set the ratio of the depth to the groove width so as to be larger than the basic criteria when the contact angle is reduced by 10%. Even in such a case, the water repellency can be expressed by the bridge phenomenon.
本発明の表面構造において、材の表面に対する垂線と、溝の内壁とがなす傾斜角をθwとすると、溝の幅に対する深さの比率が、下記の式で表される傾斜クライテリアよりも大であることが好ましい。
溝の内壁が表面の垂線に対して傾斜していると、内壁が垂線に沿っている場合と比べて、液滴のブリッジが成立するために余分に深さを必要とする。
そして、傾斜角が一定以上に大きくなると、液滴のブリッジが成立しなくなる。
上記の傾斜クライテリアは、三角関数を用いる幾何学計算により、傾斜角θwと溝の深さ/幅との関係を求めることによって定められる。
この傾斜クライテリアを用いることにより、表面に対して傾斜した内壁を有する溝についても、基本クライテリアを拡張して適用することができる。
When the inner wall of the groove is inclined with respect to the normal of the surface, an extra depth is required to form a droplet bridge as compared with the case where the inner wall is along the vertical.
When the tilt angle becomes larger than a certain value, the droplet bridge is not established.
The inclination criteria are determined by determining the relationship between the inclination angle θw and the depth / width of the groove by geometric calculation using a trigonometric function.
By using the inclined criteria, the basic criteria can be extended and applied to a groove having an inner wall inclined with respect to the surface.
本発明の表面構造は、撥水性を発現し、溝の幅は、5μm以上、200μm以下であることが好ましい。
mmオーダーである水滴の径に対して溝の幅が十分に小さいので、溝を跨いで水滴がブリッジしたときの溝内の水滴の形状を直線で近似することができる。そのため、基本クライテリアの精度を確保することができる。
The surface structure of the present invention exhibits water repellency, and the groove width is preferably 5 μm or more and 200 μm or less.
Since the width of the groove is sufficiently small with respect to the diameter of the water droplet on the order of mm, the shape of the water droplet in the groove when the water droplet bridges across the groove can be approximated by a straight line. Therefore, the accuracy of the basic criteria can be ensured.
本発明の表面構造は、撥水性を発現し、100°以上の接触角を実現することができる。 The surface structure of the present invention exhibits water repellency and can realize a contact angle of 100 ° or more.
本発明の表面構造において、複数の溝が、ナノインプリントにより形成されることが好ましい。これにより、微小な幅及び深さの溝を形成することができる。 In the surface structure of the present invention, the plurality of grooves are preferably formed by nanoimprinting. As a result, a groove having a minute width and depth can be formed.
本発明の表面構造は、撥油性を発現し、複数の溝は、油滴が40°以上の前記接触角をなす樹脂材料の表面に形成されることが好ましい。
接触角θeが40°より小さい接触対象についても、アスペクト比が基本クライテリア又は傾斜クライテリアより大であれば、撥油性を得ることができる。しかし、接触角θeが小さい範囲は、クライテリアを規定する1/tanθeの線分の傾斜が大きいために、撥油性を確実に得るためのアスペクト比を厳密に制御する必要がある。これに対して、接触角θeが40°以上であれば、当該線分の傾斜が小さいので、アスペクト比をそれほど厳密に制御しなくても、確実に撥油性を得ることができる。そして、樹脂材料は金属材料に比べて総じて接触角θeが大きいので、樹脂材料に本発明の表面構造を作り込み、これにて金属材料からなる部材を被覆することにより、金属部材に実質的に優れた撥油性を付加することができる。もちろん、金属部材を被覆することなく、当該樹脂材料を単独で使用することもできる。
The surface structure of the present invention exhibits oil repellency, and the plurality of grooves are preferably formed on the surface of the resin material in which oil droplets form the contact angle of 40 ° or more.
Even for a contact target having a contact angle θe smaller than 40 °, if the aspect ratio is larger than that of the basic criteria or the inclined criteria, oil repellency can be obtained. However, in the range where the contact angle θe is small, since the inclination of the 1 / tan θe line segment that defines the criteria is large, it is necessary to strictly control the aspect ratio for reliably obtaining oil repellency. On the other hand, if the contact angle θe is 40 ° or more, since the inclination of the line segment is small, the oil repellency can be reliably obtained without controlling the aspect ratio so strictly. Since the resin material generally has a larger contact angle θe than the metal material, the surface structure of the present invention is built in the resin material, and the member made of the metal material is covered with this, so that the metal member is substantially Excellent oil repellency can be added. Of course, the resin material can be used alone without covering the metal member.
本発明の表面構造は、撥油性を発現し、材に接触する油滴の直径Dに対する、溝のピッチPの比率P/Dが1/5以下であることが好ましい。
P/Dが1/5以下や、上述したようにナノインプリントを用いることにより、直径が50〜100μmという油滴であっても、0.1〜10μmの幅の溝を容易に形成することができ、接触対象に優れた撥油性を与えることができる。
The surface structure of the present invention exhibits oil repellency, and the ratio P / D of the groove pitch P to the diameter D of the oil droplet contacting the material is preferably 1/5 or less.
By using nanoimprinting with P / D of 1/5 or less or as described above, a groove with a width of 0.1 to 10 μm can be easily formed even with oil droplets having a diameter of 50 to 100 μm. , Excellent oil repellency can be imparted to the contact object.
本発明の熱交換器のフィンは、冷媒が内部を流れるチューブに熱的に結合され、上述の表面構造を有することを特徴とする。
上述の表面構造を有することにより、十分に高い撥水性を実現することができるので、結露、着霜を抑制して熱交換器の効率を向上させることができる。
熱交換性能の観点より、熱交換器のフィンに対しては、後述するナノインプリントを用いる手法によらず、金属材であるフィンに直接、転写等によって微細加工を施すことが好ましい。
The fin of the heat exchanger of the present invention is characterized in that the refrigerant is thermally coupled to the tube through which the refrigerant flows and has the above-described surface structure.
By having the above-mentioned surface structure, sufficiently high water repellency can be realized, so that condensation and frost formation can be suppressed and the efficiency of the heat exchanger can be improved.
From the viewpoint of heat exchange performance, it is preferable to finely process the fins of the heat exchanger by direct transfer or the like on the fins that are metal materials, regardless of the technique using nanoimprint described later.
本発明の熱交換器は、上記のフィンと、冷媒が内部を流れるチューブと、を備えることを特徴とする。 A heat exchanger according to the present invention includes the above-described fin and a tube through which a refrigerant flows.
本発明の空気調和機の構成要素は、上述の表面構造を有し、撥油性を発現することを特徴とする。例えば、油が付着する可能性がある空気調和機の外板に上述の表面構造を適用することが好ましい。空気調和機の構成要素が撥油性を備えていれば、当該構成要素への油の付着を抑えることができるので、油そのものや、油が付着した箇所にこびりつく汚れの清掃の負担を軽減することができる。 The component of the air conditioner of this invention has the above-mentioned surface structure, and expresses oil repellency. For example, it is preferable to apply the surface structure described above to the outer plate of an air conditioner where oil may adhere. If the components of an air conditioner have oil repellency, oil adhesion to the components can be suppressed, reducing the burden of cleaning the oil itself and dirt that sticks to the area where the oil has adhered. Can do.
本発明の空気調和機の構成要素において、油滴が接触する材は、母材と、樹脂材料から形成され、母材の表面を覆うフィルムと、を備え、フィルムの接触角は40°以上であり、フィルムの表面に、複数の前記溝がナノインプリントにより形成されることが好ましい。そうすると、接触角が40°以上と大きい樹脂フィルムに形成された微細表面構造による撥水性が付加されることになる。 In the constituent elements of the air conditioner of the present invention, the material that the oil droplets contact is provided with a base material and a film that is formed of a resin material and covers the surface of the base material, and the contact angle of the film is 40 ° or more. It is preferable that the plurality of grooves are formed on the surface of the film by nanoimprinting. If it does so, the water repellency by the fine surface structure formed in the resin film with a large contact angle of 40 degrees or more will be added.
本発明の表面構造の製造方法は、上述の表面構造の溝に対応する形状を金型に形成するステップと、金型を用いて材を塑性加工するステップと、を含むことを特徴とする。
金型を用いて転写することにより、部材の表面に溝の形状を確実に成形しつつ、量産に対応できる。
The surface structure manufacturing method of the present invention includes a step of forming a shape corresponding to the groove of the surface structure described above in a mold, and a step of plastically processing a material using the mold.
By transferring using a mold, it is possible to cope with mass production while reliably forming the groove shape on the surface of the member.
本発明によれば、1/tanθeで特定される基本クライテリアを提起することにより、撥水化、撥油化等の撥液化が達成される具体的な表面構造を提供することができる。 According to the present invention, by providing the basic criteria specified by 1 / tan θe, it is possible to provide a specific surface structure that achieves liquid repellency such as water repellency and oil repellency.
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。
〔第1実施形態〕
図1は、本実施形態に係る熱交換器のフィン10の表面微細構造10Aを示す。
本実施形態の熱交換器は、プレートフィンタイプであり、プレート状をした多数のフィン10が平行に積層される。フィン10の積層体と、冷媒が内部を流れる図示しないチューブとが組み付けられることによって熱交換器が構成される。この熱交換器は空気調和機を構成する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
[First Embodiment]
FIG. 1 shows a
The heat exchanger of the present embodiment is a plate fin type, and a large number of plate-
フィン10は、アルミニウム合金材から形成されており、表裏両面に表面微細構造10Aを備える。
表面微細構造10Aは、撥水性や親水性を与えるコーティングが施されていない材の表面11と、表面11に形成された多数の溝12とを備える。
各溝12は、横断面が矩形状で、直線状に延びており、所定の間隔をおいて互いに平行に配列される。溝12の長さ方向に直交する方向の寸法(幅12W)は、水滴の径に対して十分に小さい。ここで、水滴の直径は、1mm〜3mm程度を想定する。
The
The
Each
フィン10の表面側101と裏面側102とでは、溝12が互い違いに配置されている。つまり、表面側101において隣り合う溝12と溝12との間に、裏面側102の溝12が位置し、裏面側102において隣り合う溝12と溝12との間に、表面側101の溝12が位置している。
On the
表面微細構造10Aにおいては、その材自体が、接触角が45°〜84°程度の親水性を有するが、溝12の幅12Wに対する深さ12Dの比率(アスペクト比)が所定の基本クライテリアCr1(図2)に基づいて定められることで、撥水性を獲得している。
基本クライテリアCr1(溝12の深さ/幅)は、フィン10の材の平滑面(表面11)と水滴とがなす接触角をθeとしたとき、1/tanθeである。溝12の幅12Dに対する深さ12Dの比率が、この基本クライテリアCr1よりも大となるように、溝12の形状が定められる。
すなわち、溝12の深さ/幅は、表面微細構造10Aの接触角を左右する要素の一つであり、溝12の深さ/幅を規定する基本クライテリアCr1は、溝12が形成された表面微細構造10Aの撥水化および親水化の境界を決定する。
In the
The basic criteria Cr1 (depth / width of the groove 12) is 1 / tan θe, where θe is the contact angle between the smooth surface (surface 11) of the material of the
That is, the depth / width of the
図2は、材の平滑面と水滴とがなす接触角θeと、溝12の深さ/幅との関係を示す。接触角θeは、溝12が形成されていない平滑な面と水滴とがなす接触角であり、水滴の大きさや、材が設置される姿勢のいかんによらず一定とする。
ここで、基本クライテリアCr1の誤差に対処するため、基本クライテリアCr1と、それよりも上側と下側との近傍の値を含む基本クライテリア帯B1を設定している。そして、基本クライテリア帯B1よりも大となるように溝12の深さ/幅を定めている。
基本クライテリア帯B1は、接触角θeが測定値に対して10%小さい場合の基本クライテリアCr11から、接触角θeが測定値に対して10%大きい場合の基本クライテリアCr12までの範囲である。
接触角θeが測定誤差を含んでいたとしても、溝12の深さ/幅が基本クライテリア帯B1よりも大きい領域F1では、表面微細構造10Aは撥水化される。
一方、溝12の深さ/幅が基本クライテリアCr1よりも小さい領域F2では、表面微細構造10Aは親水化される。但し、溝12の深さ/幅が基本クライテリアCr1よりも小さくても基本クライテリア帯B1の下限値Cr11よりは大きければ(Cr11からCr1までの範囲)、後述するブリッジ現象が成立して表面微細構造10Aが撥水化されうるので、当該範囲に溝12の深さ/幅を設定することも許容される。
FIG. 2 shows the relationship between the contact angle θe formed by the smooth surface of the material and the water droplets and the depth / width of the
Here, in order to deal with the error of the basic criteria Cr1, the basic criteria band B1 including the basic criteria Cr1 and values near the upper side and the lower side is set. Then, the depth / width of the
Basic Criteria zone B1 is in the range from the basic criteria Cr1 1 when the contact angle θe is 10% less with respect to the measurement value, to the basic criteria Cr1 2 when the contact angle θe is 10% larger than the measured value.
Even if the contact angle θe includes a measurement error, the
On the other hand, in the region F2 where the depth / width of the
接触角θeの測定値は、アルミニウムを用いて形成された材の場合、約45°〜約90°である。化成処理されたアルミニウム材の場合、接触角は約50〜約70°である。
また、ステンレス鋼材の場合、接触角θeは約80°〜約90°である。
The measured value of the contact angle θe is about 45 ° to about 90 ° in the case of a material formed using aluminum. In the case of a chemically treated aluminum material, the contact angle is about 50 to about 70 °.
In the case of a stainless steel material, the contact angle θe is about 80 ° to about 90 °.
上記の基本クライテリアCr1を特定するに至ったプロセスについて、以下説明する。
接触角に影響を及ぼす要素の一つとして、本発明者は、材と水滴との間の空気の巻き込みに着目した。
その一方で、タグチメソッド(品質工学)を用いて、接触角に対する形状因子の感度評価を行った。
評価に用いた形状因子は、図3に示すように、溝12の幅12W、深さ12D、ピッチ12P、溝12の断面形状(矩形、U字(円弧状を含む)、V字)、および複数の溝12がなすパターン(格子状、縞状、点状)である。
感度評価には、タグチメソッドのL18に基づいて18個の供試体を用いた。溝12の幅、深さ、およびピッチは、それぞれ3段階に振っている。また、形状因子ではないが、Al合金、ステンレス鋼(SUS)、および化成処理をしたAl合金から形成された供試体を試した。
感度評価により、図4に示す結果が得られた。図4の縦軸は、各因子が接触角に及ぼす影響の度合(感度)を示しており、図の上方にいくほど撥水化し、図の下方にいくほど親水化する。図4の結果によると、接触角に対して、溝12の幅、深さ、およびパターンの感度が他の因子と比べて大きい。
The process that led to the identification of the basic criteria Cr1 will be described below.
As one of the factors that affect the contact angle, the present inventor has focused on the entrainment of air between the material and the water droplets.
On the other hand, the sensitivity of the form factor with respect to the contact angle was evaluated using Taguchi method (quality engineering).
As shown in FIG. 3, the shape factor used for the evaluation is as follows: the
For the sensitivity evaluation, 18 specimens were used based on Taguchi Method L18. The width, depth, and pitch of the
The result shown in FIG. 4 was obtained by the sensitivity evaluation. The vertical axis in FIG. 4 indicates the degree (sensitivity) of the influence of each factor on the contact angle, and water repellency is shown in the upper part of the figure and hydrophilicity is given in the lower part of the figure. According to the result of FIG. 4, the width, depth, and pattern sensitivity of the
ここで、溝12の幅が狭いほど、または溝12の深さが深いほど撥水化し、逆に、溝12の幅が広いほど、または溝12の深さが浅いほど親水化する。
このように、溝12の幅および深さの違いにより、何故、撥水化または親水化されるのか、そのメカニズムについて考察するにあたり、下記の条件を設定する。
条件1:水滴の径に対して、表面微細構造10Aの凹凸の構造(溝12の幅、深さ、ピッチ等)は十分に小さい。
条件2:材の平滑面と水滴とがなす接触角θeは常に一定である。
条件3:水滴は、その表面積が小さくなるように挙動する(表面エネルギーの最小化)。
Here, the smaller the width of the
Thus, the following conditions are set in order to consider why the water repellency or hydrophilicity is caused by the difference in the width and depth of the
Condition 1: The uneven structure (width, depth, pitch, etc. of the groove 12) of the surface
Condition 2: The contact angle θe formed by the smooth surface of the material and the water droplets is always constant.
Condition 3: A water droplet behaves so that its surface area becomes small (minimization of surface energy).
そして、図5に示すように、水滴14が表面微細構造10Aに静置され、材との間に空気15を巻き込みながら自重により拡がる様子を想定する。
水滴14は、表面微細構造10Aに接触する前は、球状であり(図5(a))、水滴14の球面の一部が表面微細構造10Aの表面11に接触する(図5(b))。
その後、水滴14は、接触した箇所(表面11A)から、両側の溝12,12を跨いで隣の表面11B,11Cにも接触する(図5(c))。それを水滴の体積に応じた回数だけ繰り返しながら、水滴14は拡がり、安定する(図5(d))。図5(d)の状態において、表面微細構造10Aと水滴14とが実際になす接触角θが測定されることとなる。
Then, as shown in FIG. 5, it is assumed that the
The
Thereafter, the
上記のように、表面微細構造10Aと接触した直後からの水滴14の挙動を捉えることにより、撥水化、親水化されるメカニズムについて考察する。
まず、溝12が十分に深い場合について述べる。
図6(a)に示すように、水滴14が、表面微細構造10Aの表面11Aに接触する。水滴14の径に対して、表面微細構造10Aの凹凸の構造は十分に小さいため(条件1)、水滴14は、溝12,12の間の凸部の天面である表面11Aに接触し、溝12の開口の一方の端縁121にまで拡がる。
そして、図6(b)に示すように、水滴14の一部が端縁121から溝12の内壁123に沿って浸入する。このとき、材と水滴14とがなす角は、θeである(条件2)。接触角θeは、材の垂直面についても一定であり、図6(a)〜(d)を通じて不変である(図7(a)〜(d)でも同様)。
As described above, the mechanism of water repellency and hydrophilicity will be considered by grasping the behavior of the
First, a case where the
As shown in FIG. 6A, the
Then, as shown in FIG. 6B, a part of the
その後、図6(c)に示すように、水滴14が溝12内のより奥へと浸入しようとするが、水滴14は、溝12の底部124には到達しないで溝12の他方の端縁122(対岸側)に到達する。こうして水滴14が溝12を跨いで対岸の表面11Bに到達したときの溝12内の水滴14の断面形状は、条件3より、図6(c)に示すように直線で近似することができる。
水滴14が対岸に到達すると、水滴14によって溝12の内側と外側とが仕切られるので、水滴14と材との間に空気15が巻き込まれる。
Thereafter, as shown in FIG. 6C, the
When the
水滴14は、さらに、図6(d)に示すように、表面11B上を拡がる。このとき、水滴14は、表面積を小さくするように挙動するので(条件3)、溝12内で下方へと膨らむことなく、直線状を維持すると推定できる。
そして、溝12内に空気15を巻き込みながら、図6(a)〜(d)を繰り返し、安定する(図5(d)参照)。
なお、水滴14の右側のみを図示しているが、図の左側においても同様に水滴14が拡がる。
また、溝12の長さ方向(紙面に直交する方向)にも水滴14は拡がり、自重と表面張力とがバランスする状態に安定する。
The
Then, while
Although only the right side of the
Further, the
次に、溝12が浅い場合について述べる。
図7(a)に示すように、水滴14が、表面微細構造10Aの表面11Aに接触する。水滴14の径に対して、表面微細構造10Aの凹凸の構造は十分に小さいため(条件1)、水滴14は、溝12,12の間の凸部の天面である表面11Aに接触し、溝12の開口の一方の端縁121にまで拡がる。
そして、図7(b)に示すように、水滴14の一部が端縁121から溝12の内壁123に沿って浸入する。このとき、材と水滴14とがなす角は、θeである(条件2)。
なお、水滴14の右側のみを図示しているが、図の左側においても同様に水滴14が拡がる。
Next, a case where the
As shown in FIG. 7A, the
Then, as shown in FIG. 7B, a part of the
Although only the right side of the
ここまでは、溝12が深い場合(図6)と同様であるが、溝12の深さが浅いと、図7(c)に示すように、水滴14が溝12の底部124に到達し、底部124に沿って拡がる。このとき、水滴14は、溝12の長さ方向にも拡がる。
そして、水滴14は、図7(d)に示すように、溝12の他方の端縁122(対岸側)から表面11Bへと溢れ出る。つまり、溝12が浅い場合は、水滴14と材との間への空気の巻き込みが生じない。その後、図7(a)〜(d)を繰り返し、安定する。
Up to this point, it is the same as in the case where the
Then, as shown in FIG. 7D, the
以上で述べた、溝12が深い場合(図6)と、溝12が浅い場合(図7)との考察に基づくと、溝12の幅、深さによってぬれ性(撥水性および親水性)に違いが出るのは、水滴14が溝12の一方の端縁121から他方の端縁122へと溝12を跨ぐようにブリッジする現象が生じるのか(図6(c))、生じないのか(図7(c))が関係するものと推定される。
つまり、溝12が深いため、水滴14が溝12の底部124に到達することなく溝12の対岸へとブリッジすれば(図6(c))、水滴14と材との間に空気15が巻き込まれる。そうすると、撥水化すると推定される。
一方、水滴14が溝12の対岸へと到達するよりも早く底部124に到達するほどに、溝12が浅ければ(図7(c))、溝12内に十分に水滴14が入り込むので、親水化すると推定される。
Based on the above consideration when the
That is, since the
On the other hand, if the
以上の考察をベースに、表面微細構造10Aを構成する溝12のモデルを作図した(図8(a))。このモデルに基づいて、溝12の幅および深さについての幾何学的関係を求める。
ここで、簡単のため、溝12の横断面を表す2次元形状で取り扱い、溝12内に浸入した水滴の形状は直線で表せるものとする。
溝12の幅12Wの値をAとおくと、深さ12Dの値はA/tanθeと表せるので、溝12の深さ/幅は、1/tanθeである。この1/tanθe(基本クライテリアCr1)において、撥水化と親水化とを線引きできる。
つまり、水滴14が溝12内に入り込む過程で、底部124よりも先に対岸(端縁122)に到達すれば(図6(c))撥水化し(図2の領域F1)、対岸よりも先に底部124に到達すれば(図7(c))親水化するのであり(図2の領域F2)、対岸/底部に付くか付かないかの瀬戸際に、撥水化/親水化の境界を設定することができる。
Based on the above consideration, a model of the
Here, for the sake of simplicity, it is assumed that the two-dimensional shape representing the cross section of the
If the value of the
That is, in the process in which the
図8(b)(図2と同様)より、例えば、フィン10のアルミニウム合金材の平滑面が84°の接触角θeを示すとすると、基本クライテリアCr1(深さ/幅)は約0.1である。
その他の材(例えば、ステンレス鋼材、化成処理をしたアルミニウム材、銅)でも、接触角θeに応じて基本クライテリアCr1が定まる。
8B (similar to FIG. 2), for example, if the smooth surface of the aluminum alloy material of the
Even in other materials (for example, stainless steel material, chemical-treated aluminum material, copper), the basic criteria Cr1 is determined according to the contact angle θe.
以上より、溝12の形状(深さと幅の関係)に応じて、空気の巻き込みが生じるか否かが決まる事象に基づいて設定された基本クライテリアCr1を用いると、接触角を制御することができる。
例えば、接触角が84°である場合は、溝12の幅に対する深さの比率(アスペクト比)が基本クライテリアCr1である0.1を上回ると撥水化し(上向きの矢印参照)、その比率が0.1を下回ると親水化する(下向きの矢印参照)。
したがって、本実施形態のようにフィン10に撥水性を発揮させたい場合は、溝12の深さ/幅を0.1よりも大に設定するとよい。基本クライテリアCr1よりも大きい領域F1内で基本クライテリアCr1から離間するほど撥水化するので、溝12の深さ/幅の大きさを調節することにより、必要な撥水性を得ることができる。
As described above, the contact angle can be controlled by using the basic criteria Cr1 set based on the event that determines whether or not the air entrainment occurs depending on the shape of the groove 12 (the relationship between the depth and the width). .
For example, when the contact angle is 84 °, the ratio of the depth to the width of the groove 12 (aspect ratio) becomes water repellent (see the upward arrow) when the ratio of the basic criteria Cr1 is 0.1 (see the upward arrow). If it falls below 0.1, it becomes hydrophilic (see downward arrow).
Therefore, when the
以上で説明したように、本実施形態によれば、撥水性を与えるコーティングや親水性を与えるコーティングを施す必要なく、フィン10の表面に基本クライテリアCr1から導かれる形状の溝12を形成することにより、フィン10の表面に必要な撥水性または親水性を与えることが可能となる。
コーティングを廃止することで、コーティング液、液槽のコストが不要となり、コーティングに付随する下地処理、焼成等も不要となるので、製造コストを抑えて効率よく製造することができる。
その上、一般に、樹脂コーティングの耐久性、強度よりも金属材の素地の耐久性、強度の方が高いので、屋外の長期使用にも耐える耐久性や、衝撃に耐える強度を容易に確保できる。
As described above, according to the present embodiment, the
By eliminating the coating, the cost of the coating liquid and the liquid tank is no longer necessary, and the base treatment, baking, etc. associated with the coating are also unnecessary, so that the manufacturing can be efficiently performed while suppressing the manufacturing cost.
In addition, since the durability and strength of the metal base are generally higher than the durability and strength of the resin coating, durability that can withstand long-term outdoor use and strength that can withstand impact can be easily secured.
以上で述べた基本クライテリアCr1は、表面11に対して垂直な内壁123を有し、矩形の断面形状をした溝12(図8(a))について設定される。
以下、表面11に直交する垂線に対して内壁123が傾斜している場合について説明する。
図9(a)(b)に示す内壁123は、表面11に直交する垂線L1に対してθwだけ傾斜している。
図9(a)は、傾斜角θwが小さい場合を示し、図9(b)は、傾斜角θwが大きい場合を示している。
The basic criteria Cr1 described above is set for the groove 12 (FIG. 8A) having an
Hereinafter, the case where the
The
FIG. 9A shows a case where the inclination angle θw is small, and FIG. 9B shows a case where the inclination angle θw is large.
垂線L1に対して内壁123が傾斜していると、内壁123が垂線L1に沿っている場合と比べて、水滴14のブリッジが成立するために余分に深さを必要とする(図9(a))。
そして、接触角θeと傾斜角θwとの幾何学的関係により、一定以上に傾斜角θwが大きくなると(図9(b))、図10のグラフから読み取れるように、水滴14のブリッジが成立しなくなる。
三角関数を用いる幾何学計算により、傾斜角θwと溝12の深さ/幅との関係を求めると、水滴14のブリッジが生じるか否かを分ける傾斜クライテリアCr2(図10)を定めることができる。
When the
Then, due to the geometric relationship between the contact angle θe and the inclination angle θw, when the inclination angle θw increases beyond a certain level (FIG. 9B), a bridge of the
When the relationship between the inclination angle θw and the depth / width of the
傾斜クライテリアCr2(深さ/幅)は、次の式(2)により表される。
図10は、接触角θeが84°(アルミニウム材)の場合の傾斜クライテリアCr2を示す。上述したように、傾斜角θwが0から大きくなるにつれて、ブリッジが成立するために必要となる深さが増大し、傾斜角θwが一定以上(ここでは約45°以上)となるとブリッジが生じない。
例えば、傾斜角θwが20°である場合は、溝12の深さ/幅(アスペクト比)が傾斜クライテリアCr2である0.4を上回ると撥水化し(上向きの矢印参照)、その比率が0.4を下回ると親水化する(下向きの矢印参照)。
FIG. 10 shows the inclined criteria Cr2 when the contact angle θe is 84 ° (aluminum material). As described above, as the inclination angle θw increases from 0, the depth required to establish the bridge increases, and when the inclination angle θw exceeds a certain value (here, about 45 ° or more), no bridge is generated. .
For example, when the inclination angle θw is 20 °, the depth / width (aspect ratio) of the
ここで、基本クライテリアCr1の場合と同様に、傾斜クライテリアCr2と、それよりも上側と下側との近傍の値を含む傾斜クライテリア帯B2を設定することが好ましい。
傾斜クライテリア帯B2は、接触角θeが測定値に対して10%小さい場合の傾斜クライテリアCr21から、接触角θeが測定値に対して10%大きい場合の傾斜クライテリアCr22までの範囲をいう。
接触角θeが測定誤差を含んでいても、溝12の深さ/幅が傾斜クライテリア帯B2よりも大きい領域では確実に撥水化される。
溝12の深さ/幅が傾斜クライテリアCr2よりも小さくても傾斜クライテリア帯B2の下限値Cr21よりは大きければ(Cr21からCr2までの範囲)、ブリッジ現象が成立して撥水化されうるので、当該範囲に溝12の深さ/幅を設定することも許容される。
傾斜クライテリアCr2により撥水化の領域FAと隔てられる親水化の領域FBにおいて、アスペクト比を増大させていくと、親水性が強調される(図10において右上の箇所)。これは、溝12が深いために比表面積が増大すること(表面粗さrの増大)による。
Here, as in the case of the basic criteria Cr1, it is preferable to set the inclined criteria band B2 including the inclined criteria Cr2 and values near the upper side and the lower side.
Inclined Criteria band B2 refers to the range from the inclined criteria Cr2 1 when the contact angle θe is 10% less with respect to the measurement value, to the inclined Criteria Cr2 2 when the contact angle θe is 10% larger than the measured value.
Even if the contact angle θe includes a measurement error, it is surely water-repellent in a region where the depth / width of the
Even if the depth / width of the
In the hydrophilic region F B separated from the water repellent region F A by the inclined criteria Cr2, the hydrophilicity is emphasized when the aspect ratio is increased (the upper right portion in FIG. 10). This is because the specific surface area increases because the
表面微細構造10Aの溝12の断面形状は、矩形(図8(a))や台形(図9)に限らず、U字やV字であってもよい。U字やV字の場合は、内壁123に沿って傾斜角θwを設定することで、傾斜クライテリアCr2を利用して溝12の深さ/幅を定めることができる。
図4に示した形状因子の感度評価に用いた溝12の断面形状(図3)と、図4の評価結果によれば、傾斜角θwが小さいほど水滴14のブリッジが成立し易いので撥水化し、傾斜角θwが大きいほど親水化することが示唆されている。
The cross-sectional shape of the
According to the cross-sectional shape of the groove 12 (FIG. 3) used for the sensitivity evaluation of the shape factor shown in FIG. 4 and the evaluation result of FIG. 4, the smaller the inclination angle θw, the easier the
溝12の幅は、ブリッジを成立させるために水滴の径の約1/4以下に設定することができ、例えば、約5μm〜約200μmに設定することができる。より好ましくは、約30μm〜約100μmである。
溝12間のピッチは、0より大きい値を任意に設定することができる。溝12間のピッチを変えて実験した際に、ピッチが溝12の幅の2倍未満である領域において最良の撥水性を発現しており、ピッチを溝12の幅の2倍としても撥水化する結果が得られている。そのため、溝12間のピッチは、溝12の幅の約2倍以下の値を設定することができる。例えば、溝12間のピッチは、約5μm〜約400μmに設定することができる。
溝12間のピッチは、不均一であってもよい。
The width of the
The pitch between the
The pitch between the
溝12のパターンは、フィン10の一端から他端まで連続する長いもの、断続する短いもの、直線状、曲線状など任意であるが、図4に示した形状因子の感度評価において点状よりも縞状、格子状の方が撥水化することから、細長い区間を有するパターンを好適に採用することができる。
なお、格子状の場合、直線と直線とが交差する部分で水滴が一方の直線から他方の直線へと斜めに移動する。そのため、直線同士の交差部では、溝12の深さに対して溝12の幅(縦線と横線とに交差する対角線)が相対的に大きくなるのに対して、縞状の場合は、パターン全体に亘り溝12の幅が一定である。このため、縞状のパターン全体に亘り、ブリッジが成立し易いことが、縞状のパターンが撥水化の効果に優れる要因の一つであると推察される。
The pattern of the
In the case of a lattice, a water droplet moves obliquely from one straight line to the other at a portion where the straight line and the straight line intersect. Therefore, at the intersection of the straight lines, the width of the groove 12 (diagonal line intersecting the vertical line and the horizontal line) is relatively large with respect to the depth of the
上記の条件により形成された溝12を備える表面微細構造10A(図11(a))に、1μlの体積の水滴を静置すると、図11(b)に示すように、水滴14と材との間に空気15が巻き込まれることにより撥水性を示す。このときの接触角θは133°である。
When a water droplet having a volume of 1 μl is allowed to stand on the
図10に示した4つのプロットは、図3を参照して説明した形状因子の感度評価の際に作製したサンプルのデータを示す。
それらのサンプルはいずれも、切削により形成された溝12を有する。
プロット1〜3(P1〜P3)に対応するサンプルの傾斜角θwは0°である。また、これらのサンプル(P1〜P3)の溝12のパターンは縞状である。
プロット4(P4)に対応するサンプルの傾斜角θwは26°である。このサンプル(P4)の溝12のパターンは格子状である。
The four plots shown in FIG. 10 show the data of the samples prepared in the form factor sensitivity evaluation described with reference to FIG.
All of these samples have
The inclination angle θw of the sample corresponding to
The inclination angle θw of the sample corresponding to the plot 4 (P4) is 26 °. The pattern of the
プロット1に対応するサンプルにおいて、溝12の幅は200μm、溝12の深さは200μmであり、深さ/幅は1である。溝12間のピッチは200μmである。
プロット2に対応するサンプルにおいて、溝12の幅は100μm、溝12の深さは10μmであり、深さ/幅は0.1である。溝12間のピッチは50μmである。
プロット3に対応するサンプルにおいて、溝12の幅は100μm、溝12の深さは25μmであり、深さ/幅は0.25である。溝12間のピッチは200μmである。
プロット4に対応するサンプルにおいて、溝12の幅は100μm、溝12の深さは100μmであり、深さ/幅は1である。溝12間のピッチは100μmである。
図10より、各プロットP1〜P4は、いずれも傾斜クライテリアCr2以上の領域に属する。
そして、プロット1に対応するサンプルの接触角は147°である、
プロット2に対応するサンプルの接触角は128°である、
プロット3に対応するサンプルの接触角は116°である、
プロット4に対応するサンプルの接触角は123°である、
以上のプロットデータより、アスペクト比を傾斜クライテリアCr2以上となるように定めると、ぬれ性が低下して撥水性が発現される。
In the sample corresponding to plot 1, the width of the
In the sample corresponding to plot 2, the width of the
In the sample corresponding to plot 3, the width of the
In the sample corresponding to plot 4, the width of the
As can be seen from FIG. 10, each of the plots P1 to P4 belongs to a region above the slope criterion Cr2.
And the contact angle of the sample corresponding to plot 1 is 147 °,
The sample contact angle corresponding to plot 2 is 128 °,
The sample contact angle corresponding to plot 3 is 116 °.
The sample contact angle corresponding to plot 4 is 123 °,
From the above plot data, when the aspect ratio is determined to be equal to or greater than the slope criterion Cr2, the wettability is lowered and the water repellency is exhibited.
次に、上述の基本クライテリアCr1および傾斜クライテリアCr2に基づいて一定以上に深い溝12を有する表面微細構造10Aを製造するのに好適な方法について説明する。
図12(a)は、フィン10を製造するラインを示している。
フィン10に用いられる厚さが100μm程度のアルミニウム合金のシート材21は、ロール22から繰り出されて転写ローラー23,24の間を通り、熱伝達率や圧力損失等を考慮した所定の形状に金型25によって成形された後、個々のフィン10に切り離される。
Next, a method suitable for manufacturing the
FIG. 12A shows a line for manufacturing the
The aluminum
転写ローラー23,24は、フィン10の両面の表面微細構造10Aを塑性加工する金型として機能する。転写ローラー23,24は、金型に用いられる剛性が高い素材を切削することで製造される。
転写ローラー23,24の各々の外周面には、表面微細構造10A(図1)の複数の溝12に対応する凹凸が形成される(金型形成ステップ)。転写ローラー23,24の各々の外周面には、溝12に対応する凸部と、隣り合う溝12,12間に対応する凹部(溝)とが交互に配列される。
The
Concavities and convexities corresponding to the plurality of
転写ローラー23,24の外周面の凸部16(図12(b))の幅に対する高さは、基本クライテリア帯B1よりも大きくなるように定められる。また、凸部16の壁面が凸部16の天面に対して傾斜している場合には、傾斜クライテリア帯B2よりも大きくなるように、凸部16の高さ/幅が定められる。
転写ローラー23,24は、図12(b)に示すように、凹凸の半周期(1/2T)分、位相をずらして設けられる。そのため、転写ローラー23,24の間をシート材21が通ると、シート材21の表裏に交互に溝12が転写される(転写ステップ)。
The height of the outer peripheral surfaces of the
As shown in FIG. 12B, the
以上で説明した製造ラインによれば、表面微細構造10Aを成形することで撥水性を付与する工程を連続して行うことができるので、量産に対応できる。
また、転写ローラー23の凹凸と転写ローラー24の凹凸との位相をずらしているので(図12(b))、それら転写ローラーへの損傷が少なく、シートにも歪が生じ難い。
According to the production line described above, since the step of imparting water repellency can be continuously performed by forming the
Further, since the phases of the unevenness of the
転写ローラー23,24により溝12が形成されることで、フィン10の表裏の全面に亘って十分に撥水化することができる。
なお、シート材21を個々のフィン10に切り離す工具の摩耗やフィン10の歪み等を考慮して、シート材21におけるフィン10とフィン10との境界にはパターンが形成されないようにすることもできる。その場合、フィン10,10の境界に対応する転写ローラー23,24の周方向の一部には凹凸を形成しない。
By forming the
In consideration of wear of a tool for cutting the
転写ローラー23,24の代わりに、図13に示すように金型26,27を用いることもできる。金型26,27の間にシート材21を挟んでプレスすることにより、シート材21の両面に溝12を転写することができる。
金型26,27にはそれぞれ、転写ローラー23,24(図12(b))と同様に、溝12に対応する複数の凸部16が、凹部17を間に挟んで並んでいる。金型26の凹凸と、金型27の凹凸とは互い違いに配置されている。
Instead of the
Similar to the
表面微細構造10Aを製造する方法は、一対の転写ローラー23,24や一対の金型26,27を用いる方法には限定されない。
例えば、1つの金型を使用し、金型のプレスによってフィン10の表面に表面微細構造10Aを形成した後、フィン10を裏返して裏面に表面微細構造10Aを形成することも許容される。
また、レーザ加工、切削、エッチングやショットブラストにより表面微細構造10Aを形成することも許容される。
The method for manufacturing the
For example, it is allowed to use one mold and form the
In addition, it is allowed to form the
上記実施形態の表面微細構造10Aは、基本クライテリアCr1および傾斜クライテリアCr2を用いて撥水化を図ることで、撥水性を発現するが、基本クライテリアCr1および傾斜クライテリアCr2を用いて親水化を図ることで、親水性を発現する表面微細構造10Aを提供できることは言うまでもない。
本発明によれば、溝12の深さ/幅を規定する基本クライテリアCr1、溝12の内壁の傾きを考慮した傾斜クライテリアCr2を用いることにより、十分に高い撥水性または親水性を確保することができる。
The
According to the present invention, sufficiently high water repellency or hydrophilicity can be ensured by using the basic criteria Cr1 that defines the depth / width of the
本発明は、フィン10の片面にのみ表面微細構造10Aを設けることを許容する。
また、本発明のフィン10の形状は問わず、フィン10は、コルゲート状(波板状)に形成されていてもよい。
また、フィンと同様に、水、氷に接触するおそれのあるチューブの表面に表面微細構造10Aを設けることも有用である。
さらには、本発明の表面微細構造10Aは、熱交換器のフィン以外にも、ぬれ性の制御が必要な各種の部材に適用することができる。
The present invention allows the
Moreover, the shape of the
Further, similarly to the fins, it is also useful to provide the
Furthermore, the
本発明における溝の長さは問わない。本発明における溝には、点状に形成された凹部(ディンプル)をも包含される。 The length of the groove in the present invention is not limited. The groove in the present invention includes a concave portion (dimple) formed in a dot shape.
〔第2実施形態〕
次に、図14および図15を参照し、本発明の第2実施形態について説明する。
第2実施形態は、空気調和機を構成する構成要素に撥油性を与えることを特徴とする。
第1実施形態および第2実施形態は、接触する液の種類が水と油で相違するが、基本的に同じ考え方に基づいて同様に構成することができる。
[Second Embodiment]
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 14 and 15.
The second embodiment is characterized by imparting oil repellency to the constituent elements of the air conditioner.
In the first embodiment and the second embodiment, the types of liquids to be contacted are different between water and oil, but can basically be configured similarly based on the same concept.
図14に示す空気調和機の構成要素30は、例えば、筐体を構成する外板であり、ステンレス鋼等の金属材料等から形成されている。
構成要素30の表面構造30Aは、油滴が接触する表面31と、表面31に形成された多数の溝32とを備えている。
溝32は、横断面が矩形状で、直線状に延びており、所定の間隔をおいて互いに平行に配列される。溝32の長さ方向に直交する方向の寸法(幅32W)は、油滴の径に対して十分に小さい。
構成要素30の金属材の平滑面(表面31)と油滴とがなす接触角をθeとおくものとする。
A
The
The
The contact angle formed between the smooth surface (surface 31) of the metal material of the
隣接する溝32間のピッチは、0より大きい値を任意に設定することができる。溝32間のピッチを変えて実験した際に、ピッチが幅32Wの2倍未満である領域において最良の撥油性を発現しており、ピッチを幅32Wの2倍としても撥油化する結果が得られている。そのため、溝32間のピッチは、幅32Wの約2倍以下の値を設定することができる。例えば、溝32間のピッチは、約5μm〜約400μmに設定することができる。ピッチは、均等であってもよいし不均等であってもよい。
溝32のパターンは、直線的に延びる長いもの、断続する短いもの、曲線状、ディンプル状など任意である。細長い区間を有するパターンを好適に採用することができる。
The pitch between the
The pattern of the
表面構造30Aは、溝32に対応する転写金型や転写ローラー等を用いることで製造することができる。また、レーザ加工、切削、エッチングやショットブラストによっても表面微細構造30Aを形成することができる。
The
第1実施形態で、図5〜図7および図9を参照して説明した水滴の挙動は、液滴全般に当てはまり、もちろん油滴にも当てはまる。
図15(a)に示すように、溝32の幅32Wの値をAとおくと、深さ32Dの値はA/tanθeと表せるので、溝32の深さ/幅は、1/tanθeである。これを基本クライテリアCr1(図15(b))として、撥油化と親油化とを線引きできる。
図15(b)に示した符号は、図2に示した符号と同様の意味を表している。
In the first embodiment, the behavior of the water droplets described with reference to FIGS. 5 to 7 and FIG. 9 applies to all of the droplets, and of course to the oil droplets.
As shown in FIG. 15A, if the value of the
The reference numerals shown in FIG. 15B represent the same meaning as the reference numerals shown in FIG.
溝32の幅32Wは、油滴のブリッジを成立させるために油滴の径の約1/5以下に設定することが好ましい。また、油滴の大きさと溝32の数の関係について、水滴14を示す図5(d)を流用して言及すると、この図のように、油滴に対して、少なくとも4つの溝32が含まれることが、ブリッジ成立の観点から好ましい。つまり、油滴の直径Dに対する溝32のピッチPの比率P/Dが1/5以下であることが好ましい。例えば、直径が約50μm〜約100μmの油滴を想定すると、溝32の幅32Wは0.1〜10μmに定めることが好ましい。
The
本実施形態では、溝32の幅32Wに対する深さの比率(アスペクト比)を、基本クライテリアCr1よりも大きくしている。それにより、表面構造30Aは撥油性を備えている。
そのため、空気調和機が例えば厨房等、油が付着する可能性がある環境で使用されたとしても、油が構成要素30の表面に付着することを抑制できるので、油や、油が付着した箇所にこびりつく汚れを清掃する負担を軽減することができる。
In the present embodiment, the depth ratio (aspect ratio) of the
Therefore, even if the air conditioner is used in an environment where oil may adhere, such as a kitchen, it is possible to suppress oil from adhering to the surface of the
もし溝32の内壁123が、図9(a)に示すように、表面31に直交する垂線に対して傾斜している場合には、図10を参照して説明した傾斜クライテリアCr2よりも、アスペクト比が大きくなるようにするとよい。
傾斜クライテリアCr2は、接触角θeと、内壁123の傾斜角θwとを用いて、上述した式(2)により求めることができる。図10の撥水化領域FAは撥油化領域FAと、親水化領域FBは親油化領域FBと、読み替えることができる。
If the
The inclination criteria Cr2 can be obtained by the above-described equation (2) using the contact angle θe and the inclination angle θw of the
〔第2実施形態の変形例〕
空気調和機の構成要素30の材そのものに表面構造30Aを形成することもできるが、図16に示すように、構成要素30の金属材33(母材)の表面を覆う樹脂フィルム34の表面31に表面構造30Aを形成することもできる。
樹脂フィルム34の表面構造30Aは、ナノインプリントにより形成することが好ましい。
ナノインプリントは、型に形成された微小な凹凸を樹脂やガラスに転写する手法であり、ガラス転移点のある材料に適用される。ナノインプリントにより、ミスト状の油滴の付着を防ぐ機能を発揮する0.1μm〜10μm程度の規模の深さおよび幅で、溝32を形成することができる。
上述した基本クライテリアCr1および傾斜クライテリアCr2に基づいて一定以上の深さの溝32を形成することにより、十分な撥油性を得ることができる。
[Modification of Second Embodiment]
Although the
The
Nanoimprint is a technique for transferring minute irregularities formed in a mold to a resin or glass, and is applied to a material having a glass transition point. By the nanoimprint, the
A sufficient oil repellency can be obtained by forming the
上記で例示した空気調和機の構成要素の他にも、油滴が接触しうる適宜な部材に表面構造30Aを適用することができる。例えば、工作機械、輸送機械、建築資材、梱包資材、衣料にも本発明の表面構造を適用することができる。
In addition to the components of the air conditioner exemplified above, the
以下、工作機械を構成する構成要素(例えば、工具)に適用された表面構造の撥油性を評価した実験例について説明する。
下記の3種類の供試材A,B,Cを用意し、下記の切削油の接触角θを測定した。
供試材A:ステンレス鋼(JIS SUS)
供試材B:フッ素樹脂フィルム(テトラフルオロエチレン-パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体;PFA)
供試材C:ナノインプリントにより供試材Bにアスペクト比2の溝32を形成。溝32の深さ32Dは1μm、幅32Wは0.5μm、ピッチは1μmである。
切削油:DEE オイルヘビーミディアム(商品名) 油滴直径は1mm
Hereinafter, an experimental example in which the oil repellency of a surface structure applied to a component (for example, a tool) constituting a machine tool is evaluated will be described.
The following three types of test materials A, B, and C were prepared, and the contact angle θ of the following cutting oil was measured.
Specimen A: Stainless steel (JIS SUS)
Specimen B: Fluororesin film (tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymer; PFA)
Specimen C:
Cutting oil: DEE Oil Heavy Medium (trade name) Oil droplet diameter is 1mm
接触角の測定結果は以下の通りである。
供試材A: 12°
供試材B: 53°
供試材C:103°
The measurement results of the contact angle are as follows.
Sample A: 12 °
Specimen B: 53 °
Specimen C: 103 °
以上によれば、接触角が53°であるフッ素樹脂フィルム(供試材B)が、一定以上に深い溝32の形成により十分に撥油化される(供試材C)。
したがって、接触角θが小さいステンレス鋼(供試材A)の表面を、溝32を備えた微細な表面構造30Aが形成された樹脂フィルム34で被覆することにより、ステンレス鋼に実質的に撥油性を与えることができる。したがって、要求される剛性・強度と撥油性とを兼ね備えた工作機械の部品を実現することができる。
According to the above, the fluororesin film (test material B) having a contact angle of 53 ° is sufficiently oil-repellent by forming the
Therefore, the surface of stainless steel (sample A) having a small contact angle θ is covered with the
図15(b)に示す基本クライテリアCr1からも明らかであるように、被覆する樹脂フィルム34の平滑面と油滴とがなす接触角θeが大きいほど、溝32が浅くても撥油性を発現させることができる。
溝32は、油滴が40°以上の接触角θeをなす樹脂フィルム34の表面に形成されることが好ましい。
As is clear from the basic criteria Cr1 shown in FIG. 15B, the larger the contact angle θe formed by the smooth surface of the
The
上記では、撥油性の部材としてPFAを例示したが、PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)、FEP(パーフルオロエチレンプロペンコポリマー(テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体))などのフッ素樹脂、シリコーン樹脂、ポリエチレンなどの樹脂材料を用いることができる。これら樹脂材料は、金属材料に比べて接触角が大きく、上述したPFAと同様に、優れた撥油性を発揮することが期待できる。ちなみに、水に対するものであるが、樹脂材料の接触角は以下の通りである。
PTFE:114° PFA:109° FEP:115°
シリコーン樹脂:110° ポリエチレン:88°
上記以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更したりすることが可能である。
本明細書において、撥水に関する記載は、基本的には撥油にも当てはまり、撥油に関する記載は、基本的には撥水にも当てはまる。
また、本発明は、撥水、撥油に限らず、任意の液に係る撥液の特性を部材に発現させるために利用することができる。
本発明の表面構造が備えられる部材の形状は限定されず、例えば、表面に段差が形成されている部材、表面が湾曲している部材、表面にうねりが形成されている部材などにも本発明の表面構造を適用することができる。
In the above, PFA is exemplified as the oil-repellent member, but fluorine resin such as PTFE (polytetrafluoroethylene) and FEP (perfluoroethylene propene copolymer (tetrafluoroethylene / hexafluoropropylene copolymer)), silicone resin, A resin material such as polyethylene can be used. These resin materials have a larger contact angle than metal materials, and can be expected to exhibit excellent oil repellency, similar to the PFA described above. By the way, although it is for water, the contact angle of the resin material is as follows.
PTFE: 114 ° PFA: 109 ° FEP: 115 °
Silicone resin: 110 ° Polyethylene: 88 °
In addition to the above, as long as the gist of the present invention is not deviated, the configuration described in the above embodiment can be selected or changed to another configuration as appropriate.
In the present specification, the description related to water repellency basically applies to oil repellency, and the description related to oil repellency basically applies to water repellency.
In addition, the present invention is not limited to water repellency and oil repellency, and can be used to develop the liquid repellency characteristics of any liquid.
The shape of the member provided with the surface structure of the present invention is not limited. For example, the present invention also applies to a member having a step formed on the surface, a member having a curved surface, a member having a undulation on the surface, and the like. The surface structure can be applied.
10 フィン
10A,30A 表面構造
11,31 表面
12,32 溝
12D,32D 幅
12P ピッチ
12W,32W 幅
14 水滴
15 空気
21 シート材
22 ロール
23,24 転写ローラー
25 金型
26,27 金型
30 構成要素
33 金属材
34 樹脂フィルム
11A〜11C 表面
121 端縁
122 端縁
123 内壁
124 底部
B1 基本クライテリア帯
B2 傾斜クライテリア帯
Cr1 基本クライテリア
Cr2 傾斜クライテリア
F1 領域
F2 領域
FA 領域
FB 領域
L1 垂線
θe 接触角
θw 傾斜角
10
Claims (16)
前記表面に形成された複数の溝と、を備え、
前記材の平滑面と液滴とがなす接触角をθeとすると、
前記溝の幅に対する深さの比率が、1/tanθeである基本クライテリアよりも大であって、撥液性を発現する、
ことを特徴とする表面構造。 The surface of the material,
A plurality of grooves formed on the surface,
When the contact angle between the smooth surface of the material and the droplet is θe,
The ratio of the depth to the width of the groove is greater than the basic criteria of 1 / tan θe, and exhibits liquid repellency.
A surface structure characterized by that.
ことを特徴とする請求項1に記載の表面構造。 The ratio of the depth to the width of the groove is larger than the basic criteria when the contact angle is increased by 10%.
The surface structure according to claim 1.
前記表面に形成された複数の溝と、を備え、
前記材の平滑面と液滴とがなす接触角をθeとすると、
前記溝の幅に対する深さの比率が、前記接触角を10%小さくした場合の1/tanθeである基本クライテリアに対して大である、
ことを特徴とする表面構造。 The surface of the material,
A plurality of grooves formed on the surface,
When the contact angle between the smooth surface of the material and the droplet is θe,
The ratio of the depth to the width of the groove is large with respect to the basic criteria which is 1 / tan θe when the contact angle is reduced by 10%.
A surface structure characterized by that.
前記溝の底部に到達しないで前記溝の他方の端縁にまで到達可能である、
請求項1から3のいずれか一項に記載の表面構造。 In the process in which a droplet disposed on the surface of the material enters the groove from one edge in the width direction of the groove,
Reach the other edge of the groove without reaching the bottom of the groove;
The surface structure according to any one of claims 1 to 3.
前記溝の幅に対する深さの比率が、下記の式で表される傾斜クライテリアよりも大である、
The ratio of the depth to the width of the groove is larger than the slope criteria represented by the following formula:
前記溝の幅は、5μm以上、200μm以下である、
請求項1から5のいずれか一項に記載の表面構造。 Expresses water repellency,
The width of the groove is 5 μm or more and 200 μm or less.
The surface structure according to any one of claims 1 to 5.
接触角が100°以上である、
請求項1から6のいずれか一項に記載の表面構造。 Expresses water repellency,
The contact angle is 100 ° or more,
The surface structure according to any one of claims 1 to 6.
請求項1から7のいずれか一項に記載の表面構造。 A plurality of the grooves are formed by nanoimprinting.
The surface structure according to any one of claims 1 to 7.
前記複数の溝は、油滴が40°以上の前記接触角をなす樹脂材料の表面に形成される、
請求項1から5のいずれか一項に記載の表面構造。 Expresses oil repellency,
The plurality of grooves are formed on the surface of the resin material in which oil droplets form the contact angle of 40 ° or more.
The surface structure according to any one of claims 1 to 5.
前記材に接触する油滴の直径Dに対する、前記溝のピッチPの比率P/Dが1/5以下である、
請求項1から9のいずれか一項に記載の表面構造。 Expresses oil repellency,
The ratio P / D of the pitch P of the groove to the diameter D of the oil droplet contacting the material is 1/5 or less.
The surface structure according to any one of claims 1 to 9.
前記材に接触する油滴の直径が50μm以上100μm以下であることを想定すると、前記溝の幅が0.1μm以上10μm以下である、
請求項1から10のいずれか一項に記載の表面構造。 Expresses oil repellency,
Assuming that the diameter of the oil droplet contacting the material is 50 μm or more and 100 μm or less, the width of the groove is 0.1 μm or more and 10 μm or less.
The surface structure according to any one of claims 1 to 10.
請求項1から7のいずれか一項に記載の表面構造を有する、
ことを特徴とする熱交換器のフィン。 The refrigerant is thermally coupled to the tube through which it flows,
Having a surface structure according to any one of claims 1 to 7,
The fin of the heat exchanger characterized by the above-mentioned.
冷媒が内部を流れるチューブと、を備える、
ことを特徴とする熱交換器。 A fin according to claim 12;
A tube through which the refrigerant flows,
A heat exchanger characterized by that.
撥油性を発現する、
ことを特徴とする空気調和機の構成要素。 It has the surface structure according to any one of claims 1 to 5, 8, 9, 10, and 11,
Expresses oil repellency,
A component of an air conditioner characterized by that.
母材と、
樹脂材料から形成され、前記母材の表面を覆うフィルムと、を備え、
前記フィルムの前記接触角は40°以上であり、
前記フィルムの表面に、
複数の前記溝がナノインプリントにより形成される、
請求項14に記載の空気調和機の構成要素。 The material in contact with the oil drop is
With the base material,
A film formed from a resin material and covering the surface of the base material,
The contact angle of the film is 40 ° or more;
On the surface of the film,
A plurality of the grooves are formed by nanoimprinting,
The component of the air conditioner of Claim 14.
前記金型を用いて、前記材を塑性加工するステップと、を含む、
ことを特徴とする表面構造の製造方法。 Forming a shape corresponding to the groove of the surface structure according to any one of claims 1 to 10 in a mold;
Plastically processing the material using the mold, and
A method for producing a surface structure, wherein:
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