JP4382162B2 - 部材被膜およびその製造方法 - Google Patents

Description

説明
本発明は、特許請求の範囲第１項および第５項のプレアンブルに記載の部材被膜およびその製造方法に関する。例えば、周囲が蒸気媒体に直接接触している部材にそのような被膜を形成する。
従来、パワープラントの一部を構成するコンデンサーの冷却剤用導管は、熱を運ぶ作動流体がこの導管において相転移により蒸気状態から液状に変化するときに、その表面の一部又は全部が液体層により湿っていた。
作動流体は熱伝導率が比較的低いため、この液体層は、全熱抵抗の約３０％を構成する。この全熱抵抗は、冷却剤とコンデンサーの導管の内部表面との界面における対流熱抵抗、導管材の熱抵抗、導管上の析出物または非凝縮性蒸気の熱抵抗、および導管の外側表面における上記相転移により形成される熱抵抗からなる。
さらに、そのような連続した液体層により、蒸気と凝縮液との間に摩擦力が生ずるので、蒸気性作動流体が導管の間隙を流れるときに超えることが必要とされる流出抵抗は増加する。
そのような層凝縮により、かかる不利益を伴うだけでなく、部材の汚染または析出もまた、対応する物質が作動流体に混入しまたは溶解している場合にもたらされる。さらに、そのような析出により、導管の表面における熱抵抗が増加する。
本発明の目的は、部材表面に液体層が生成すること、および固形析出物が形成することを防止する被膜を提供し、かつ、この被膜を製造する方法を開示することである。
被膜に関しては、特許請求の範囲第１項に記載された特徴を有する手段により本目的を達成することができる。方法に関しては、特許請求の範囲第５項に記載された特徴を有する手段により本目的を達成することができる。
蒸気および／または凝縮液媒体と直接接触する部材周囲の非湿潤性の、非晶質炭素被膜により、凝縮液層が連続して形成するのを防止することが可能となる。特に、このような被膜により、パワープラントにおいて熱を運ぶコンデンサー内の作動流体が、冷却剤を供給する導管の表面に小滴状にのみ析出するという効果がもたらされる。従って、コンデンサーの熱伝達率は約５〜１５％増加する。この手段はまた、作動流体が導管の間隙を流れるときに作動流体の小滴圧を低減するので、コンデンサーの圧力は、約５０ヘクトパスカルのコンデンサー設定圧力において約４〜８ヘクトパスカルに減圧される。
非湿潤性の非晶質炭素皮膜と、部材との間の熱抵抗を低減するために、非晶質炭素を被覆する前に後者を部材と被膜間の有効界面が増加する程度に粗くする。この増加は、粗さ構造と粗くする深さに依存する。好ましくは、被覆され得る部材周囲を０．１〜２μｍの深さに粗くする。化学的または物理的エッチングにより粗くし、好ましくはプラズマエッチングにより行う。このようにして、１．５〜２の割合により有効界面は増加する。次に、被覆する間、非湿潤性の、非晶質炭素の連続する平滑な表面を形成する厚さに被覆し、それに蒸気が凝縮し得る。
上記方法の一つを用いて被覆した周囲を２０μｍの深さに粗くすることにより、蒸気性作動流体と、非湿潤性の、非晶質炭素で被覆した部材との間の熱伝達をさらに向上することができる。次いで、非湿潤性の、非晶質炭素で周囲を覆うような厚さに被膜を形成するのみでは平滑な表面を形成することはできない。次いで、この表面を機械的に平滑にする。その結果、被覆されていない周囲領域と非湿潤性の、非晶質炭素で被覆した周囲領域の双方を備えた表面構造となる。平滑にした後、被覆されていない領域の全表面積は、被覆領域の全表面積の５０％未満となる。かかる手段により、蒸気性作動媒体は確実に部材上に小滴状に凝縮し続ける。蒸気性作動流体が部材の被覆されていない周囲に直接接触することにより、熱伝達が向上する。
周囲に本発明による被膜が施されていない部材では、蒸気媒体が凝縮する間に形成される小滴は、互いに流れ込む態様により拡張し、連続する液体層を形成する。液体による表面の非湿潤性は、濡れの接触角による。本発明による被膜を、被膜と液体との間の固定した濡れの接触角が９０度より大きくなるように形成する。これは、被覆表面上では蒸気性作動流体は小滴の形態でのみ凝縮することを意味する。従って、例えばパワープラントコンデンサーにおいて生ずる凝縮液からは、非湿潤性の有機修飾セラミックで被覆された表面上に連続した層は生成しない。この場合において、被膜と作動流体との間の界面相互作用は非常に小さいため、小滴は表面に付着せず、または僅かに付着するのみである。結局、重力下において導管表面を流れ落ち、他の小滴に混入し、導管表面に何もない領域を形成する。該領域においては、蒸気性作動流体は再び凝縮し得る。小滴が速く流れ落ちるという事実は、導管上における作動流体の滞留時間が減少し、ゆえに凝縮液相により増加する熱抵抗が強化されることを防止することを意味する。
非湿潤性の、非晶質炭素被膜を、析出の間にフッ素または珪素を導入することにより形成する。非湿潤性の非晶質炭素は、以下の構造式により表すことができる。
ａ−Ｃ：Ｈ：Ｘ
但し、ａは非晶質であり、Ｘは化学元素のフッ素または珪素を表す。
非湿潤性の、非晶質炭素の表面エネルギーは低く、約２０ｍＪ／ｍ²である。しかしながら表面硬度は約１５００Ｈ_vであり、ゆえに耐摩耗性が高い。さらに、非湿潤性の非晶質炭素被膜を備えた部材表面により、例えば、作動流体により運ばれる小粒子または溶解物質により生成する析出物が、部材表面に形成し得ないという利益がもたらされる。酸化層もまた、そのような皮膜上に形成し得ない。
さらに、本発明は、従属請求項に特徴を有する。
図１は、本発明による被膜を備えた部材を示す。
図２は、被覆周囲の抜粋を示す。
図３は、部分的に完成した周囲の抜粋を示す。
図４は、別の周囲の抜粋を示す。
前記説明に関連する図１は、二つの金属製管状部材１を示す。部材１は、パワープラント（図示せず）の一部を構成するコンデンサーの導管の束に属する。二つの部材１はチタニウムから製造され、それぞれ０．５〜０．７ｍｍの壁厚を有する。これらを端から端まで約５ｍｍ〜１０ｍｍ離して配列する。二つの部材１は、それぞれ、その外側表面１Ｓ上に被膜２を備える。本明細書において記述する具体的態様では、この被膜２を、全面積を覆い、次の構造式により表示することができる非湿潤性の、非晶質炭素から形成される平滑な被膜３により形成する。
ａ−Ｃ：Ｈ：Ｘ
ただし、Ｘは化学元素のフッ素または珪素を表す。
部材１と被膜２との間の有効界面が増加するような態様で、周囲１Ｂを被覆に先立って粗くし、被膜２と部材１との間の熱抵抗を低減する。この増加は、粗さの構造と深さに依存する。好ましくは、被覆する周囲１Ｂを０．１〜２μｍの深さに粗くする。例えば、化学的エッチングまたは物理的エッチングにより粗くする。好ましくは、プラズマエッチングにより粗くし、これにより約１．５〜２の割合で有効界面が増加する。次に、周囲１Ｂの被覆では、被膜３を３〜５μｍの厚さに形成する。化学気相析出法または物理的コーティング技術を用いて被膜３を形成することができる。好ましくは、プラズマ活性析出法またはスパッタリングにより被膜３を形成する。
図２は、周囲１Ｂの部分的領域の拡大を示す。図２から理解し得るように、被膜３は、非湿潤性の非晶質炭素から製造された、連続していると同時に平滑な表面１Ｓを形成する。図１およびず２に示すように、被覆部材１上に導かれ、その上で凝縮する蒸気性作動流体１０の凝縮液は連続する液体層を形成しない。むしろ、凝縮液は、小滴１１の形態で被膜３に短時間付着するのみである。
上記方法の一つを用いて被覆された周囲を２０μｍの深さに粗くすることにより、蒸気性作動流体と、非湿潤性の非晶質炭素で被覆された部材との間の熱伝達をさらに向上することができる。次いで、図３に示すとおり、被膜３を、粗さの深さに依存して周囲１Ｂが非湿潤性の非晶質炭素によりちょうど覆われるような厚さに形成するが、平滑な表面１Ｓは形成されない。好ましくは、深さ２０μｍの粗さを備えた被膜３を５μｍ以下の厚さに形成する。次いで、表面１Ｓを機械的に平滑にする。平滑化した後、図４に示すように、表面１Ｓは非湿潤性の、非晶質炭素領域４と、周囲１Ｂの露出領域１Ｆにより形成される。その結果、図４における小滴１１に示すように、所定領域の蒸気性作動流体（図示せず）は、周囲１Ｂの被覆されていない領域に直接接触する。この直接接触により、熱伝達は向上する。

Claims (2)

1. その周囲（１Ｂ）が媒体（１０）の蒸気及び／又は凝縮物と直接接触する部材（１）の周囲（１Ｂ）上への被膜の製造方法であって、
   周囲（１Ｂ）を２０μｍ以下の深さに粗面化し、それに厚さ５μｍ以下の、構造式：ａ−Ｃ：Ｈ：Ｘ（式中、Ｘは、化学元素のフッ素又はケイ素を表す。）で表される非湿潤性の非晶質炭素を含む被膜（３）を施し、
   次いで、周囲（１Ｂ）が、被覆されていない領域（１Ｆ）と、当該非湿潤性の非晶質炭素で被覆された領域（４）とを有することとなり、被覆されていない領域（１Ｆ）の全表面積が、被覆された領域（４）の全表面積の５０％未満となるように、被覆表面（１Ｓ）を平滑化することを特徴とする、被膜の製造方法。
2. その周囲（１Ｂ）が媒体（１０）の蒸気及び／又は凝縮物と直接接触する部材（１）の周囲（１Ｂ）上への被膜の製造方法であって、
   各部材（１）の周囲（１Ｂ）を０．１μｍ〜２μｍの深さに粗面化し、それに厚さ３μｍ〜５μｍの、構造式：ａ−Ｃ：Ｈ：Ｘ（式中、Ｘは、化学元素のフッ素又はケイ素を表す。）で表される非湿潤性の非晶質炭素を含む被膜（３）を、被覆されていない領域（１Ｆ）と、当該非湿潤性の非晶質炭素で被覆された領域（４）とを周囲（１Ｂ）が有することとなるよう施すことを特徴とする、被膜の製造方法。

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