JP2017058103A - 伝熱面及び伝熱部材 - Google Patents

Abstract

【課題】高い熱伝達率を有する伝熱面及び該伝熱面を有する伝熱部材を提供する。【解決手段】伝熱面は、冷媒の沸騰を伴う熱伝達のために冷媒と接触させるように構成されている。伝熱面は、高さまたは深さが１０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下である多数のナノ構造体を有している。伝熱面は、高さまたは深さが１μｍ以上１００００μｍ以下である多数のマイクロ構造体を有しており、マイクロ構造体は、その表面にナノ構造体を有していることが好ましい。【選択図】図５

Description

本発明は、伝熱面及び該伝熱面を有する伝熱部材に関する。

例えば、エアーコンディショナーやチラー、ボイラー、熱機関発電機等の熱交換器として、沸騰伝熱を利用した熱交換器が知られている。この種の熱交換器は、冷媒と直接接触する部分に、熱源の熱を冷媒に移動させる伝熱面を有している。また、この種の熱交換器は、伝熱面に接触した冷媒が核沸騰を起こす温度領域で運転されることが多い。

熱交換器の効率を向上させるために、伝熱面における熱伝達率、即ち、単位面積、単位時間、単位温度差あたりの熱移動量を大きくする技術が種々提案されている。核沸騰においては、伝熱面に発生する気泡の数が多く、かつ、気泡が伝熱面から早く離脱するほど熱伝達率を大きくすることができる。例えば、特許文献１には、冷媒と接触する面に数十μｍの深さを有する凹部を設ける技術が提案されている。

特開平７−１２７９８７号公報

特許文献１の熱交換器は、伝熱面から気泡が離脱した後に凹部内に気泡核が残るように構成されている。しかし、気泡核は、凹部の寸法と同程度の大きさを有しているため、気泡核内への冷媒蒸気の供給のみにより成長させることは難しい。それ故、特許文献１の熱交換器は、気泡を短時間で離脱させることが難しく、熱伝達率の向上には限界がある。

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたものであり、高い熱伝達率を有する伝熱面及び該伝熱面を有する伝熱部材を提供しようとするものである。

本発明の一態様は、冷媒の沸騰を伴う熱伝達のために上記冷媒と接触させる伝熱面であって、
該伝熱面は、高さまたは深さが１０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下である多数のナノ構造体を有している、伝熱面にある。

本発明の他の態様は、上記の態様の伝熱面を有する、伝熱部材にある。

上記伝熱面は、高さまたは深さが１０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下である多数のナノ構造体を有している。上記ナノ構造体は、伝熱面上に沸騰核を生成しやすくすることができる。また、上記ナノ構造体により生成される沸騰核の大きさは、ナノ構造体と同程度またはナノ構造体よりも小さいと推定される。このような極めて小さい沸騰核は、冷媒蒸気の供給により容易に成長することができる。それ故、上記ナノ構造体を有する上記伝熱面は、ナノ構造体を有しない伝熱面に比べて、核沸騰時に発生する気泡の数を多くすることができる。

さらに、多数の気泡が発生している伝熱面においては、隣り合う気泡の間隔が狭いため、気泡同士が容易に合体する。これにより、気泡がマイクロメートルオーダーあるいはそれ以上の大きさまで成長した後においても、気泡の成長速度を大きくすることができる。その結果、上記ナノ構造体を有する上記伝熱面は、従来よりも短時間で気泡を離脱させることができる。

以上のように、上記伝熱面は、気泡の発生及び離脱を促進することができるため、熱伝達率を高くすることができる。また、上記伝熱面を有する上記伝熱部材を熱交換器に組み込むことにより、従来の熱交換器に比べて伝熱効率を高くすることができる。

実施例１における、伝熱部材の斜視図である。 実施例１における、伝熱部材Ｅ１の伝熱面を構成するベーマイト皮膜のＳＥＭ（走査電子顕微鏡）像である。 実施例１における、ベーマイト皮膜の断面図の一例である。 実施例１における、サブクールプール沸騰実験に用いた実験装置の説明図である。 伝熱部材Ｅ１、Ｅ２及びＣ１の沸騰曲線を示したグラフである。 実施例２における、伝熱部材Ｅ２の伝熱面を構成するアルマイト皮膜のＳＥＭ（走査電子顕微鏡）像である。 実施例２における、アルマイト皮膜の断面図の一例である。 実施例３における、凹部が形成された頂面のＳＥＭ像である。 伝熱部材Ｅ３、Ｅ４及びＣ２の沸騰曲線を示したグラフである。 伝熱面過熱度１２℃における、伝熱部材Ｅ１の伝熱面の一例を示す図面代用写真である。 伝熱面過熱度１２℃における、伝熱部材Ｃ１の伝熱面の一例を示す図面代用写真である。 伝熱面過熱度１２℃における、伝熱部材Ｅ３の伝熱面の一例を示す図面代用写真である。 伝熱面過熱度１２℃における、伝熱部材Ｃ２の伝熱面の一例を示す図面代用写真である。 実施例５における、複数の伝熱面を有する伝熱部材Ｅ５の頂面の平面図である。 実施例５における、核沸騰中の冷媒の流れの一例を示す断面図である。

上記伝熱面において、上記ナノ構造体の高さまたは深さは、気泡の発生及び離脱を促進する観点から１０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下とする。ナノ構造体の高さまたは深さが１０ｎｍ未満の場合には、気泡の発生を促進する効果が低いため、伝熱面の熱伝達率を高くすることが難しい。

ナノ構造体の高さまたは深さが１０００ｎｍを超える場合には、ナノ構造体の大きさが沸騰核よりも過度に大きくなる。このようなナノ構造体は気泡の発生を促進する効果を奏しない。そのため、伝熱面の熱伝達率を高くすることが難しい。

上記ナノ構造体は、種々の技術により、大面積に一括して形成することができる。例えば、ナノ構造体は、フォトリソグラフィやイオンエッチング、ナノインプリント等の技術を利用して形成することができる。また、伝熱面を形成する母材の材質によっては、陽極酸化処理等の湿式処理によりナノ構造体を形成することもできる。

上記ナノ構造体は、例えば、周囲よりも陥没したナノホールであってもよく、周囲よりも突出したナノ突起であってもよい。ナノ突起の高さやナノホールの深さは、例えば電子顕微鏡等による断面像に基づいて算出することができる。ナノ構造体の高さまたは深さの具体的な算出方法については、実施例において詳細に説明する。

また、ナノ構造体は、隣り合う上記ナノ構造体との平均間隔が１０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下となるように形成されていることが好ましい。この場合には、伝熱面上により多くの気泡を発生させることができる。その結果、上記伝熱面の熱伝達率をより高くすることができる。

上記伝熱面は、高さまたは深さが１μｍ以上１００００μｍ以下である多数のマイクロ構造体を有しており、上記マイクロ構造体は、その表面に上記ナノ構造体を有していることが好ましい。上記マイクロ構造体は、ある程度の大きさまで成長した気泡を保持することができる。上記マイクロ構造体に保持された気泡は、対流等による冷媒の流れを乱し、渦を形成することができる。これにより、伝熱面から冷媒への対流熱伝達をより促進することができる。

さらに、マイクロ構造体に保持された気泡には、マイクロ構造体の表面や周辺に存在するナノ構造体から多量の気泡が供給される。それ故、マイクロ構造体に保持された気泡は、伝熱面上を移動する気泡に比べて成長速度をより大きくすることができる。これにより、上記マイクロ構造体を有する伝熱面は、気泡が発生してから離脱するまでの時間をより短縮することができる。

上述した気泡の離脱を促進する効果は、冷媒が核沸騰を起こす温度領域の全範囲において得られるが、特に伝熱面の温度が比較的低く、伝熱面上に発生する気泡の数が少ない場合に顕著である。これは、以下の理由によるものと考えられる。

沸騰核が成長してなる気泡は、通常、伝熱面上の一定の位置から発生する。そのため、気泡が発生する位置の近傍に存在するマイクロ構造体には、気泡が絶えず供給される。その結果、このようなマイクロ構造体に保持された気泡は、短時間で成長し、伝熱面から離脱することができる。これに対し、伝熱面内を移動する気泡は、伝熱面上に疎らに発生した気泡に接近しない限り成長することができない。それ故、マイクロ構造体及びナノ構造体の両方を有する伝熱面は、ナノ構造体のみを有する伝熱面に比べて低い温度領域から気泡の離脱を促進することができる。

以上のように、マイクロ構造体に保持された気泡は、ナノ構造体による効果が相乗的に作用することにより、短時間で伝熱面から離脱することができる。さらに、気泡が伝熱面から離脱するまでの間は、冷媒の流れを乱して渦を形成することにより、対流熱伝達をより促進することができる。このように、マイクロ構造体による２つの効果にナノ構造体による効果を加えることによって、両者の相乗効果が生じる。その結果、マイクロ構造体及びナノ構造体の両方を有する伝熱面は、核沸騰時の熱伝達率を従来よりも格段に高くすることができる。

マイクロ構造体の高さまたは深さが１μｍ未満の場合には、気泡が成長する前に、表面から離脱しやすいため、上記の渦形成による熱伝達向上の効果が低くなる。従って、マイクロ構造体の高さまたは深さは１μｍ以上であることが好ましい。渦形成による熱伝達率向上の効果をより高くする観点からは、マイクロ構造体の高さまたは深さを５μｍ以上とすることがより好ましく、１０μｍ以上とすることがさらに好ましく、５０μｍ以上とすることが特に好ましい。

また、マイクロ構造体の高さまたは深さが１００００μｍを越える場合には、マイクロ構造体に保持された気泡が伝熱面から離脱するまでの時間が長くなるおそれがある。そのため、場合によっては熱伝達性の低下を招くおそれがある。このような問題を回避する観点から、マイクロ構造体の高さまたは深さは１００００μｍ以下であることが好ましい。また、気泡の離脱を促進する効果をより高くする観点からは、マイクロ構造体の高さまたは深さを５０００μｍ以下とすることがより好ましく、２５００μｍ以下とすることがさらに好ましく、１０００μｍ以下とすることが特に好ましい。

マイクロ構造体は、種々の技術により、大面積に一括して形成することができる。例えば、マイクロ構造体は、転写や機械加工等の技術を利用して形成することができる。

上記マイクロ構造体は、例えば、周囲よりも陥没した凹部または周囲よりも突出した凸部であってもよい。マイクロ構造体の具体的な形状は特に限定されることはない。例えば、凹部は、半球状、円柱状、角柱状、円錐状あるいは角錐状などの形状に陥没していてもよい。同様に、凸部は、半球状、円柱状、角柱状、円錐状あるいは角錐状などの形状に突出していてもよい。

上記マイクロ構造体は、隣り合う上記マイクロ構造体との平均間隔が１０μｍ以上１０００μｍ以下となるように形成されていることが好ましい。この場合には、マイクロ構造体に保持された気泡の間に適度な隙間が生じるため、気泡の間に冷媒が流通し易い。その結果、冷媒の渦の形成がより促進され、ひいては伝熱面から冷媒への対流熱伝達をより促進することができる。

上述したマイクロ構造体の平均間隔が１０μｍ未満の場合には、マイクロ構造体に保持された気泡の間の隙間が小さくなるため、冷媒の渦が形成されにくくなるおそれがある。その結果、熱伝達率を向上させる効果が不十分となるおそれがある。一方、マイクロ構造体の平均間隔が１０００μｍを超える場合には、伝熱面上に存在するマイクロ構造体の数が少なくなるため、熱伝達率を向上させる効果が不十分となるおそれがある。

上記伝熱面を有する伝熱部材は、例えば、エアーコンディショナーやチラー、ボイラー、熱機関発電機等の熱交換器、あるいは半導体装置等の液冷ヒートシンクなどの用途に用いることができる。伝熱部材の材質及び形態は、用途に応じて適宜選択することができる。例えば、熱交換器に組み込む伝熱部材は、銅やステンレス鋼、アルミニウム合金等から構成された管材とすることができる。また、液冷ヒートシンクに組み込む伝熱部材は、銅やアルミニウム合金等から構成された板材とすることができる。なお、伝熱部材の材質及び形態は、上述した態様に限定されることはない。

伝熱部材は、１箇所のみの上記伝熱面を有していてもよく、複数の上記伝熱面を有していてもよい。伝熱部材の伝熱効率を向上させる観点からは、伝熱部材が複数の上記伝熱面を有していることが好ましい。この場合、隣り合う伝熱面の間には、伝熱部材における通常の表面、即ち、ナノ構造体が形成されていない表面が存在している。そのため、核沸騰が起きている間、各伝熱面上で気泡の発生及び離脱が促進され、伝熱面の周囲においては気泡の発生及び離脱が起こりにくい。

このとき、各伝熱面においては、気泡の離脱により、伝熱面から離れる方向への冷媒の流れが生じ易い。これに対し、伝熱面の周囲においては、気泡の発生数が少ないため、伝熱面に近づく方向への冷媒の流れが生じ易い。そして、このような冷媒の流れが生じる結果、伝熱部材が１箇所のみの伝熱面を有する場合に比べて伝熱面から冷媒へ流れる熱流束の総量を多くし、より効果的に沸騰冷却を行うことができる。

伝熱部材が複数の伝熱面を有している場合には、伝熱面と、これに隣り合う伝熱面との間隔が１ｍｍ以上１０ｍｍ以下であることが好ましい。この場合には、個々の伝熱面上に十分な量の冷媒を供給することができる。その結果、伝熱面から冷媒へ流れる熱流束の総量を多くし、より効果的に沸騰冷却を行うことができる。

上述した伝熱面同士の間隔が１ｍｍ未満の場合には、上述した冷媒の対流が不十分となるおそれがある。そのため、伝熱面から冷媒へ流れる熱流束の総量を多くすることが難しくなるおそれがある。一方、伝熱面同士の間隔が１０ｍｍを越える場合には、伝熱面同士が離れているため、伝熱部材の表面のうち伝熱面が占める面積比率を大きくすることが難しい。そのため、冷媒へ流れる熱流束の総量を多くすることが難しくなるおそれがある。

（実施例１）
上記伝熱面を有する伝熱部材の実施例を、図を用いて説明する。本例の伝熱部材Ｅ１は、１箇所の伝熱面２を有している。伝熱面２は、高さまたは深さが１０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下である多数のナノ構造体２１を有している。

図１に示すように、本例の伝熱部材Ｅ１は、略円柱状を呈する基部１１と、基部１１の一方の端面に設けられた円錐台状のテーパ部１２とを有しており、テーパ部１２の頂面１２１に伝熱面２が設けられている。伝熱面２には、ナノ構造体２１としてのナノ突起２１１が形成されている。以下に、本例の伝熱部材Ｅ１の作製方法を詳説する。

まず、ＪＩＳ Ａ５０５２合金より構成された母材１を準備した。母材１は、基部１１と、テーパ部１２とを有している。基部１１の寸法は、直径２６ｍｍ、高さ４ｍｍとした。テーパ部１２は、基部１１側から頂面１２１へ向かうにつれて外径が小さくなるテーパ状に形成されている。テーパ部１２の高さは３ｍｍとし、頂面１２１における外径は２０ｍｍとした。

上記の形状を有する母材１を準備した後、テーパ部１２の頂面１２１を鏡面研磨した。次いで、テーパ部１２の側周面を保護材により被覆した。その後、伝熱部材の頂面１２１を７５℃以上の純水に浸漬してベーマイト皮膜を形成した。以上により伝熱部材Ｅ１を作製した。

伝熱部材Ｅ１の伝熱面２は、ベーマイト皮膜より構成されている。図２に示すように、ベーマイト皮膜は、針状を呈する多数のナノ突起２１１を有していた。ナノ突起２１１の高さは、伝熱面２を厚さ方向に切断した断面を倍率１０万倍〜２０万倍の電子顕微鏡で観察し、１視野内に存在するナノ突起２１１の高さｈ₁（図３参照）を測定することにより得ることができる。伝熱部材Ｅ１におけるナノ突起２１１の高さｈ₁は、１０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の範囲内であった。

また、隣り合うナノ突起２１１の平均間隔ｄ_avgは、伝熱面２を厚さ方向に切断した断面を倍率１０万倍〜２０万倍の電子顕微鏡で観察し、１視野内に存在するナノ突起２１１の先端同士の間隔ｄ（図３参照）を平均することにより得ることができる。伝熱部材Ｅ１におけるナノ突起２１１の平均間隔ｄ_avgは、５０ｎｍ〜２００ｎｍの範囲内であった。

以上により得られた伝熱部材Ｅ１を用いてサブクールプール沸騰実験を行い、沸騰曲線を取得した。本例において用いた実験装置３は、以下の通りである。

図４に示すように、実験装置３は、伝熱部材Ｅ１を加熱する熱源部３１と、熱源部３１の上方に載置された冷媒プール３２と、熱源部３１を囲む断熱材３３とを有している。熱源部３１は、伝熱面ヒーター３１１と、伝熱面ヒーター３１１の上方に載置された銅円柱３１２とを有している。伝熱面ヒーター３１１は、伝熱面２の温度を調整する温度調整器３１３に接続されている。

伝熱部材Ｅ１は、銅円柱３１２の上端面上に基部１１が載置され、伝熱面２が冷媒プール３２の断熱材３２４（後述）と面一になるように取り付けられる。また、伝熱面ヒーター３１１と銅円柱３１２との間、及び、銅円柱３１２と伝熱部材Ｅ１との間には、熱伝導グリスが塗布される。なお、銅円柱３１２の直径は２６ｍｍ、高さは２０ｍｍとした。

また、銅円柱３１２及び伝熱部材Ｅ１には、複数の熱電対３１４が取り付けられる。これらの熱電対３１４は、データ処理装置３１５に接続される。データ処理装置３１５は、熱電対３１４により測定された銅円柱３１２及び伝熱部材Ｅ１の温度に基づき、伝熱面２から冷媒Ｃへ流れ出す熱流束及び伝熱面２の温度を算出するように構成されている。

図４に示すように、冷媒プール３２は、冷媒Ｃを保持する壁部３２１と、冷媒Ｃの温度を調整する冷媒ヒーター３２２と、冷媒Ｃの温度を測定する熱電対３２３とを有している。壁部３２１の底部中央は、断熱材３２４より構成されている。断熱材３２４には、伝熱部材Ｅ１の伝熱面２を冷媒Ｃに接触させるための貫通孔が設けられている。また、壁部３２１における断熱材３２４以外の部分は、透明なアクリル板より構成されている。

冷媒ヒーター３２２及び熱電対３２３は、冷媒Ｃの温度を調整する温度調整器３２５に接続されている。また、冷媒プール３２の外側には、伝熱面２を観察するための高速度カメラ（図示略）が配置されている。

本例においては、熱源部３１に伝熱部材Ｅ１を取り付けた後、伝熱面２が貫通孔から露出するように冷媒プール３２を配置した。次いで、シリコーン系接着剤を用いて伝熱部材Ｅ１の側周面と断熱材３２４との間を液密に封止した。その後、液面の高さが伝熱面２から１００ｍｍの位置になるように、冷媒プール３２内に冷媒Ｃ（フロリナート（登録商標）ＦＣ−７２）を注ぎ入れた。

以上のようにして実験装置３をセットアップした後、サブクールプール沸騰実験を以下の手順で行った。まず、サブクール度、即ち冷媒Ｃの温度と沸点との差が２５℃になるまで冷媒Ｃを加熱した。冷媒Ｃの温度が安定した後、伝熱面ヒーター３１１により伝熱部材Ｅ１の加熱を開始し、伝熱面２の温度を上昇させた。伝熱部材Ｅ１の加熱は、伝熱面２に接触した冷媒Ｃが核沸騰から膜沸騰に遷移するまで継続して行った。

伝熱部材Ｅ１を加熱している間、銅円柱３１２及び伝熱部材Ｅ１に取り付けた熱電対３１４の温度に基づいて、伝熱面２から冷媒Ｃへ流れ出す熱流束及び伝熱面２の温度を算出し、これらの値を記録した。また、高速度カメラにより、伝熱面２に発生する気泡の映像を記録した。

図５に、伝熱部材Ｅ１の沸騰曲線を示す。なお、図５における横軸は伝熱面過熱度、即ち、伝熱面２の温度から冷媒Ｃの沸点を差し引いた値である。また、図５における縦軸は伝熱面２から冷媒Ｃへ流れ出す熱流束の値である。

（実施例２）
本例は、ナノ構造体２１としてのナノホール２１２を有する伝熱面２を母材１の頂面１２１に形成した伝熱部材Ｅ２の例である。本例の伝熱部材Ｅ２は、鏡面研磨したテーパ部１２の頂面１２１に陽極酸化処理を施した以外は、実施例１と同様の方法により作製した。陽極酸化処理は、具体的には、０．５質量％リン酸水溶液を電解液とし、８０Ｖの電圧を１５分間印加することにより行った。

伝熱部材Ｅ２の伝熱面２は、アルマイト皮膜より構成されている。図６に示すように、アルマイト皮膜の表面には、周囲よりも陥没した多数のナノホール２１２が形成されていた。これらのナノホール２１２の直径は数十ｎｍ程度であった。

ナノホール２１２の深さは、伝熱面２を厚さ方向に切断した断面を倍率１０万倍〜２０万倍の電子顕微鏡で観察し、１視野内に存在するナノホール２１２の深さｈ₂（図７参照）を測定することにより得ることができる。伝熱部材Ｅ２におけるナノホールの深さｈ₂は、１５０〜２５０ｎｍの範囲内であった。

また、隣り合うナノホール２１２の平均間隔ｄ_avgは、ナノ突起２１１と同様に、伝熱面２を厚さ方向に切断した断面を倍率１０万倍〜２０万倍の電子顕微鏡で観察し、１視野内に存在するナノホール２１２の同士の間隔ｄ（図７参照）を平均することにより得ることができる。伝熱部材Ｅ２におけるナノホール２１２の平均間隔ｄ_avgは１００〜５００ｎｍの範囲内であった。

以上により得られた伝熱部材Ｅ２を用いてサブクールプール沸騰実験を行った。その結果得られた沸騰曲線を図５に示す。

（実施例３）
本例は、ナノ突起２１１及びマイクロ構造体２２を有する伝熱面２を母材１の頂面１２１に形成した伝熱部材Ｅ３の例である。本例においては、実施例１と同様に母材１を準備した後、テーパ部１２の頂面１２１にマイクロ構造体２２を形成した。本例のマイクロ構造体２２は、周囲よりも陥没した多数の凹部２２１である。図８に示すように、凹部２２１の形状は、一辺の長さ約１２μｍ、深さ約８μｍの四角錐状とした。また、凹部２２１は、約２０μｍのピッチを有する格子状に配置した。なお、凹部２２１は、予め準備したスタンパの凸形状を転写することにより形成した。

上述したように凹部２２１を形成した後、実施例１と同様の方法により頂面１２１にベーマイト皮膜を形成した。以上により、本例の伝熱部材Ｅ３を作製した。

以上により得られた伝熱部材Ｅ３を用いてサブクールプール沸騰実験を行った。その結果得られた沸騰曲線を図９に示す。なお、図９における横軸は伝熱面過熱度であり、縦軸は伝熱面２から冷媒Ｃへ流れ出す熱流束の値である。

（実施例４）
本例は、ナノホール２１２及びマイクロ構造体２２を有する伝熱面２を母材１の頂面１２１に形成した伝熱部材Ｅ４の例である。本例においては、実施例３と同様にして母材１の頂面１２１に凹部２２１を形成した後、実施例２と同様の方法により頂面１２１にアルマイト皮膜を形成した。以上により、本例の伝熱部材Ｅ４を作製した。

以上により得られた伝熱部材Ｅ４を用いてサブクールプール沸騰実験を行った。その結果得られた沸騰曲線を図９に示す。

（比較例１）
本例は、ナノ構造体２１及びマイクロ構造体２２のいずれも形成されていない伝熱面を有する伝熱部材Ｃ１の例である。本例の伝熱部材Ｃ１は、実施例１と同様の母材１を準備した後、その頂面１２１を鏡面研磨することにより作製した。即ち、伝熱部材Ｃ１の伝熱面は、アルミニウム合金の鏡面研磨面より構成されている。

以上により得られた伝熱部材Ｃ１を用いてサブクールプール沸騰実験を行った。その結果得られた沸騰曲線を図５に示す。

（比較例２）
本例は、マイクロ構造体２２のみを有する伝熱面が母材１の頂面１２１に形成された伝熱部材Ｃ２の例である。本例の伝熱部材Ｃ２は、実施例１と同様の母材１を準備した後、その頂面１２１にスタンパの凸形状を転写して凹部２２１を形成した。その後、頂面１２１を鏡面研磨した。以上により、伝熱部材Ｃ２を作製した。

以上により得られた伝熱部材Ｃ２を用いてサブクールプール沸騰実験を行った。その結果得られた沸騰曲線を図９に示す。

実施例及び比較例におけるサブクールプール沸騰実験の結果を、以下にまとめて説明する。図５に示すように、伝熱面２にナノ突起２１１を有する伝熱部材Ｅ１は、ナノ構造体２１を有さない伝熱部材Ｃ１に比べて、測定を行った全温度領域において熱流束の値が大きくなった。また、伝熱面２にナノホール２１２を有する伝熱部材Ｅ２は、伝熱面過熱度１３〜１４Ｋを境に沸騰曲線の傾きが急激に変化した。そして、伝熱面過熱度１４Ｋ以上の温度領域において、ナノ構造体２１を有さない伝熱部材Ｃ１よりも熱流束の値が大きくなった。

また、図１０及び図１１に、高速度カメラにより撮影した、伝熱面過熱度１２Ｋにおける伝熱部材Ｅ１及びＣ１の伝熱面２の一例を示す。図１０及び図１１中の小さな球状の像は、伝熱面２上に形成された気泡である。図１０と図１１との比較から、伝熱部材Ｅ１の伝熱面２上には、伝熱部材Ｃ１に比べて多数の気泡が形成されたことが理解できる。なお、図には示さないが、伝熱部材Ｅ２においても、伝熱部材Ｅ１と同様に、伝熱部材Ｃ１に比べて多数の気泡が形成されたことを確認している。

伝熱面２にナノ構造体２１及びマイクロ構造体２２の両方を有する伝熱部材Ｅ３及びＥ４は、図９に示すように、伝熱面にマイクロ構造体２２のみを有する伝熱部材Ｃ２に比べて、測定を行った全温度領域において熱流束の値が大きくなった。また、伝熱部材Ｅ３及びＥ４は、伝熱面過熱度９Ｋを境に沸騰曲線の傾きが急激に変化した。

また、図１２及び図１３に、高速度カメラにより撮影した、伝熱面過熱度１２Ｋにおける伝熱部材Ｅ３及びＣ２の伝熱面２の一例を示す。図１２及び図１３中の小さな球状の像は、伝熱面２上に形成された気泡である。図１２と図１３との比較から、伝熱部材Ｅ３の伝熱面２上には、伝熱部材Ｃ２に比べて多数の気泡が形成されたことが理解できる。なお、図には示さないが、伝熱部材Ｅ４においても、伝熱部材Ｅ３と同様に、伝熱部材Ｃ２に比べて多数の気泡が形成されたことを確認している。

以上の結果から理解できるように、ナノメートルオーダーまたはサブマイクロメートルオーダーの寸法を有するナノ構造体２１は、伝熱面２上に多数の気泡を発生させることができた。そして、ナノ構造体２１を有する伝熱部材Ｅ１〜Ｅ４は、気泡の発生が促進されたことにより、ナノ構造体２１を有さない伝熱部材Ｃ１〜Ｃ２に比べて熱伝達率を高くすることができた。

さらに、高速度カメラによる映像をより詳細に分析したところ、以下の現象を確認した。即ち、ナノ構造体２１及びマイクロ構造体２２の両方を有する伝熱部材Ｅ３及びＥ４においては、伝熱面過熱度が低い場合に、伝熱面２上の一定の位置で気泡の発生と離脱とが繰り返されていた。例えば伝熱面過熱度９Ｋ程度の場合、気泡の発生から離脱までの周期は、およそ５０ｍｓであった。

これに対し、マイクロ構造体２２のみを有する伝熱部材Ｃ２においては、伝熱面２上の一定の位置で気泡の発生と離脱とが繰り返されていたが、伝熱部材Ｅ３及びＥ４に比べて気泡の成長速度が遅かった。それ故、伝熱部材Ｃ２は、伝熱部材Ｅ３及びＥ４よりも気泡の発生から離脱までの周期が遅かった。

また、マイクロ構造体２２を有さない伝熱部材Ｅ１、Ｅ２及びＣ１は、同じ伝熱面過熱度における気泡の発生数が、ナノ構造体２１及びマイクロ構造体２２の両方を有する伝熱部材Ｅ３及びＥ４に比べて少なかった。

マイクロ構造体２２を有さない伝熱部材のうち、伝熱部材Ｅ２及びＣ１においては、伝熱面２上に発生した気泡が面内を移動しながら成長し、その後伝熱面２から離脱した。伝熱部材Ｅ２及びＣ１における気泡の発生から離脱までの周期は、およそ５００ｍｓであった。

伝熱部材Ｅ１は、伝熱部材Ｅ３及びＥ４と同様に、伝熱面２上の一定の位置で気泡の発生及び離脱とが繰り返されていた。しかし、伝熱部材Ｅ１は、伝熱部材Ｅ３及びＥ４に比べて気泡の成長速度が遅く、気泡の発生から離脱までの周期は、およそ１００ｍｓであった。

以上の結果から理解できるように、ナノ構造体２１とマイクロ構造体２２との両方を備えた伝熱面２は、気泡の発生を促進する効果と気泡の成長を促進する効果とが相乗的に作用することにより、気泡の発生及び離脱の周期を早くすることができた。そして、このような伝熱面２を有する伝熱部材Ｅ３及びＥ４は、伝熱部材Ｅ１〜Ｅ２及びＣ１〜Ｃ２に比べて熱伝達率を格段に大きくすることができた。

さらに、図５と図９との比較から分かるように、伝熱部材Ｅ３及びＥ４は、伝熱部材Ｅ１〜Ｅ２及びＣ１〜Ｃ２に比べて、伝熱面過熱度が低い領域から気泡の発生及び離脱を促進し、熱伝達率を大きくすることができた。

（実施例５）
本例は、複数の伝熱面２を有する伝熱部材Ｅ５の例である。本例の伝熱部材Ｅ５は、図１４に示すように、母材１の頂面１２１上に、市松模様となるように配置された複数の伝熱面２を有している。

伝熱部材Ｅ５は、例えば、以下のようにして作製することができる。まず、実施例１と同様にしてテーパ部１２の頂面１２１を鏡面研磨した後、テーパ部１２の側周面を保護材により被覆する。次いで、頂面１２１に、正方形状に切断した保護材を市松模様となるように貼付する。その後、保護材により被覆されていない部分にナノ構造体２１を形成することにより、図１４に示すように市松模様に配置された伝熱面２（図１４参照）を形成することができる。

伝熱部材Ｅ５は、核沸騰時に、図１５に示すように冷媒Ｃを対流させることができる。即ち、伝熱面２は、ナノ構造体２１の存在により気泡Ｂの発生及び離脱を促進させることができる。それ故、伝熱面２上においては、気泡の離脱により、伝熱面２から離れる方向への冷媒の流れ（矢印２０１）が生じ易い。これに対し、伝熱面２の周囲は、ナノ構造体２１を有していないため、伝熱面２に比べて気泡の発生数が少ない。それ故、伝熱面２の周囲においては、伝熱面２に近づく方向への冷媒の流れ（矢印２０２）が生じ易い。

以上の結果、伝熱部材Ｅ５は、核沸騰時に冷媒Ｃの対流を促進し、各伝熱面２上への冷媒Ｃの供給を促進することができる。その結果、伝熱面２から冷媒Ｃへ流れる熱流束の総量を多くし、より効果的に沸騰冷却を行うことができる。

伝熱面２の形状や大きさ、間隔は上記の態様に限定されるものではない。伝熱面２の形状や大きさ、間隔は保護材の形状や配置を変更することにより適宜変更することができる。例えば、上記の方法において、保護材の形状を一辺が１〜１０ｍｍの正方形状にすることにより、隣り合う伝熱面２の間隔を１〜１０ｍｍにすることができる。また、ナノ構造体２１は、ベーマイト皮膜によるナノ突起２１１であってもよく、アルマイト皮膜によるナノホール２１２であってもよい。これら以外のナノ構造体２１を採用することもできる。

さらに、上記の方法において、ナノ構造体２１を形成する前に、転写等によりテーパ部１２の頂面１２１にマイクロ構造体を形成してもよい。この場合には、ナノ構造体２１とマイクロ構造体２２との相乗効果により、各伝熱面２における熱伝達率を格段に高めることができる。その結果、各伝熱面２がマイクロ構造体２２を有さない場合に比べて、伝熱面２から冷媒Ｃへ流れる熱流束の総量をより多くし、より効果的に沸騰冷却を行うことができる。

本発明は、上記実施例１〜５の態様に限定されることはなく、本発明の趣旨を損なわない範囲で適宜変更することができる。

Ｅ１〜Ｅ５ 伝熱部材
１ 母材
２ 伝熱面

Claims (8)

1. 冷媒の沸騰を伴う熱伝達のために上記冷媒と接触させる伝熱面であって、
   該伝熱面は、高さまたは深さが１０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下である多数のナノ構造体を有している、伝熱面。
2. 上記ナノ構造体は、周囲よりも陥没したナノホールまたは周囲よりも突出したナノ突起である、請求項１に記載の伝熱面。
3. 上記ナノ構造体と、これに隣り合う上記ナノ構造体との平均間隔が１０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下である、請求項１または２に記載の伝熱面。
4. 上記伝熱面は、高さまたは深さが１μｍ以上１００００μｍ以下である多数のマイクロ構造体を有しており、上記マイクロ構造体は、その表面に上記ナノ構造体を有している、請求項１〜３のいずれか１項に記載の伝熱面。
5. 上記マイクロ構造体は、周囲よりも陥没した凹部または周囲よりも突出した凸部である、請求項４に記載の伝熱面。
6. 上記マイクロ構造体と、これに隣り合う上記マイクロ構造体との平均間隔が１０μｍ以上１０００μｍ以下である、請求項４または５に記載の伝熱面。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の伝熱面を有する、伝熱部材。
8. 上記伝熱部材は、複数の上記伝熱面を有している、請求項７に記載の伝熱部材。