KR20220002916A - 윤활제 함침 표면을 포함하는 열 및 물질 전달 부품 - Google Patents

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KR20220002916A
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더 보오드 오브 트러스티스 오브 더 유니버시티 오브 일리노이즈
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Abstract

열 및 물질 전달 부품은, 소수성 종이 부착된 나노구조화 표면 돌출부를 포함하는 소수성 표면 특징부를 포함하는 윤활유 함침 표면을 포함한다. 소수성 표면 특징부는 약 400 mPa·s 내지 약 6000 mPa·s 범위의 점도를 갖는 플루오르화 윤활제로 함침된다. 열 및 물질 전달 부품 상에 윤활제 함침 표면을 제조하는 방법은 다음 단계들을 포함한다: 열전도성 기재를 세정하여 세정된 기재를 형성하는 단계; 세정된 기재를 뜨거운 물 또는 뜨거운 알칼리 용액에 노출시켜 나노구조화 표면 돌출부를 갖는 열전도성 기재를 형성하는 단계; 나노구조화 표면 돌출부 상에 소수성 종을 침착시켜, 소수성 표면 특징부를 형성하는 단계; 및 400 mPa·s 내지 6000 mPa·s 범위의 점도를 갖는 플루오르화 윤활제로 소수성 표면 특징부를 코팅하는 단계. 열 및 물질 전달 부품은 탄화수소 응축 동안 열전달 계수의 상당한 증가를 나타낼 수 있다.

Description

윤활제 함침 표면을 포함하는 열 및 물질 전달 부품
관련 출원
본 특허 문서는 2019년 4월 22일에 출원된 미국 임시 특허 출원 제 62/836,848에 대한 35 USC §119(e)에 따른 우선권의 이점을 주장하며, 그 전체 내용이 인용에 의해 본 명세서에 통합된다.
기술분야
본 개시는 통상적으로 열 및 물질 전달 기술에 관한 것이며, 더욱 특히, 열전달을 향상시키고 파울링(fouling)을 감소시키기 위한 표면 구조에 관한 것이다.
열을 전달하고 유체들을 분리하기 위해 널리 사용되는 산업 공정인 증기 응축은, 발전, 증류, 공조 및 냉동 시스템, 천연 가스 처리를 비롯한 수많은 산업 공정의 성공에 매우 중요하다.
지난 세기 동안, 낮은 표면 에너지(10 mJ/m2 미만) 소수성 표면이 개발되어 열전달을 향상시키기 위한 수증기의 적하방식 응축(dropwise-condensing)을 촉진하였다. 그러나, 알코올 및 탄화수소와 같은 낮은 표면 장력 유체들은 그들의 유사한 표면 에너지(10 mJ/m2 <
Figure pct00001
< 25 mJ/m2)로 인해 소수성 표면에 고유한 문제를 제기한다. 소수성 기재 상에서, 탄화수소 액체들은 낮은 전진 접촉각(advancing contact angle)과 높은 접촉각 히스테리시스(contact angle hysteresis)를 나타내어, 필름방식 응축을 초래한다. 낮은 표면 장력 유체들을 위한 비습윤(non-wetting) 적하 응축 표면을 만드는 문제는, 다른 유체들에 대한 진전이 거의 없는 상태에서, 증기 응축 열전달에 초점을 맞추도록 유도되었다.
대체 에너지원 및 바이오 연료로의 최근 패러다임 전환을 감안할 때, 낮은 표면 장력 유체의 효율적인 응축 및 분리에 대한 필요성이 크게 증가하였다. 예를 들어, 옥수수로부터 생성되는 연료 에탄올의 세계 생산량은 2000년 65억 갤런에서 2017년 267억 갤런으로 증가했으며, 다양한 지방족 및 방향족 탄화수소가 석유화학 산업에서 순수 종으로, 그리고 정유 산업에서 혼합물로서 계속 생산되고 있다. 또한, 낮은 지구 온난화 지수(low global warming potential: low-GWP)의 냉각제들(refrigerants)(이들 중 다수가 지방족 탄화수소임)이 기존의 불연성 선택지들을 대체하도록 의무화되고 있으며, 이때, 유기 랭킨 사이클(organic Rankine cycle: ORC) 발전(power generation), 및 건물 에너지 기술을 포함하는 여러 산업적 적용 분야들은, 효율적인 성능을 위해, 효과적인 낮은 표면 장력 냉각제 응축에 의존한다.
수증기 응축을 향상시키기 위해 낮은 표면 에너지 소수성 및 초소수성 코팅의 개발이 진행되었음에도 불구하고, 낮은 표면 장력 유체의 안정적인 적하 응축은 달성되지 않았다.
열 및 물질 전달 부품은 소수성 표면 특징부를 포함하는 윤활유 함침 표면을 포함하며, 소수성 표면 특징부는 소수성 종이 부착되는 나노구조화 표면 돌출부를 포함한다. 소수성 표면 특징부는 약 400 mPa·s 내지 약 6000 mPa·s 범위의 점도를 갖는 플루오르화 윤활제로 함침된다.
열 및 물질 전달 부품 상에 윤활제 함침 표면을 제조하는 방법은: 열전도성 기재를 세정하여 세정된 기재를 형성하는 단계; 세정된 기재를 뜨거운 물 또는 뜨거운 알칼리 용액에 노출시켜, 나노구조화 표면 돌출부들을 갖는 열전도성 기재를 형성하는 단계; 나노구조화 표면 돌출부들 상에 소수성 종을 침착시켜, 소수성 표면 특징부들을 형성하는 단계; 및 소수성 표면 특징부들을, 400 mPa·s 내지 6000 mPa·s 범위의 점도를 갖는 플루오르화 윤활제로 코팅하여, 열 및 물질 전달 부품 상에 윤활유 함침 표면을 형성하는 단계;를 포함한다.
도 1a는 예시적인 열 및 물질 전달 부품의 일부분의 개략적인 사시도이고, 도 1b는 열 및 물질 전달 부품 상의 윤활제 함침 표면의 개략적인 단면도이다.
도 2의 (a) 및 (b)는 산화구리를 포함하는 나노구조화 표면 돌출부들의 주사 전자 현미경(SEM) 및 집속 이온 빔(FIB) 이미지이다.
도 3은 매끄러운 소수성 구리 표면(상단 이미지) 및 윤활유 함침 산화구리 표면(LIS K1525)(하단 이미지)에서 명백한 진행 상태의 물, 에탄올 및 헥산 액적을 보여준다.
도 4의 (a) 내지 (c)는 매끄러운 소수성 구리 튜브 상에서 물, 에탄올 및 헥산 각각 의 응축을 나타내고, 도 4의 (d) 내지 (f)는 윤활유 함침 표면들(LIS K1525)을 갖도록 처리된 구리 튜브(LIS K1525) 상에서 물, 에탄올 및 헥산 각각의 응축을 보여준다. 챔버 증기압은
Figure pct00002
= 4.5 kPa (4a, 4d),
Figure pct00003
= 7 kPa (4b, 4e), 및
Figure pct00004
= 12 kPa (4c, 4f)이다.
도 5a 및 5b는 매끄러운 소수성 구리 표면들(HP Cu, 필름방식) 및 윤활제 함침 표면들(LIS, 적하방식) 상의 에탄올 응축(5a) 및 헥산 응축(5b)에 대한 총괄 표면 열속(
Figure pct00005
)의 함수로서 실험적 정상 상태 로그 평균 물 대 증기 수증기 온도 차이(steady state log mean water to vapor temperature difference) (
Figure pct00006
)를 보여준다. 적하방식 응축으로 인한 신속한 액적 제거는 LIS 샘플들에 대해 가장 높은 열속을 생성한다(포화 증기압(
Figure pct00007
)의 함수로서 총괄 표면 열속(
Figure pct00008
)의 경우). 오차 막대는 유체 입구 및 출구 온도(±0.25 K), 압력 측정(±1%) 및 유량(±1%)과 관련된 오차 전파(propagation of error)를 나타낸다.
도 5c 내지 도 5e는 HP Cu(필름방식) 및 LIS(적하방식) 표면들에 대한 에탄올 응축(5c), 헥산 응축(5d) 및 크실렌 응축(5e)에 대한 포화 증기압(
Figure pct00009
)의 함수로서 실험적 및 이론적 정상 상태 응축계수(
Figure pct00010
)를 보여준다. 오차 막대는 유체 입구 및 출구 온도(±0.25 K), 압력 측정(±1%) 및 유속(±1%)과 관련된 오차 전파를 나타낸다. 이론적 예측(점선)은 튜브 상에 고전적인 누셀트(Nusselt) 필름방식 응축 모델로부터 얻어졌다.
도 6은 7시간 동안 LIS K1525 상에서 에탄올 응축(상단 이미지) 및 헥산 응축(하단 이미지)에 대한 이미지의 시간 경과 시퀀스를 보여준다. 응축 조건: 에탄올의 경우,
Figure pct00011
= 16 ℃,
Figure pct00012
= 80 kW/m2, 헥산의 경우,
Figure pct00013
= 9 ℃,
Figure pct00014
= 65 kW/m2, 에탄올의 경우,
Figure pct00015
= 8 kPa, 및 헥산의 경우,
Figure pct00016
= 14 kPa이다.
도 7의 A 내지 D는 각각 LIS K1525, LIS K16256, LIS Y25/6 및 초소수성 CuO에 대한 연속 에탄올 응축 실험 동안 2,805 시간의 시간에서 응축 모드(적하방식 또는 필름방식)를 보여준다.
도 1a는 구성요소(100)의 열전달 특성 및/또는 파울링 저항성을 향상시키기 위한 내구성 윤활제 함침 표면(102)을 포함하는 예시적인 열 및 물질 전달 부품(100)의 일부를 도식적으로 보여준다. 이 개략도에서, 열 및 물질 전달 부품(100)은 튜브 형상을 갖지만, 열 및 물질 전달 부품(100)은 이러한 기하학적 구조에 제한되지 않고, 대안적으로, 의도된 응용 분야에 적합한 임의의 크기 또는 형상을 가질 수 있다. 열 및 물질 전달 부품(100)은 발전, 증류, 공조 또는 냉각, 천연 가스 처리, 및/또는 정제되거나 혼합된 지방족 및/또는 방향족 탄화수소의 생산을 위해 사용될 수 있다. 열 및 물질 전달 부품(100)은, 예를 들어, 열교환기 또는 분별 컬럼의 일부 또는 전부를 형성할 수 있다.
도 1b를 참조하면, 윤활제 함침 표면(102)은, 후술하는 바와 같이, 바람직하게는 400 mPa·s 내지 6000 mPa·s 범위의 점도를 갖는 플루오르화 윤활제(112)에 의해 함침된 소수성 표면 특징부들(110)을 포함한다. 소수성 표면 특징부들(110)은 소수성 종(108)이 부착되는 나노구조화 표면 돌출부들(106)을 포함한다. 인접한 표면 돌출부들(106) 사이의 영역은 모세관 력에 의한 플루오르화 윤활제(112)의 함침을 허용하는 표면 틈새들(surface crevices)(106a)을 정의한다. 열 및 물질 전달 부품(100)은 윤활제 함침 표면(102)을 지지하는 열전도성 기재(104)를 더 포함한다.
유리하게는, 작동 유체가 윤활제 함침 표면(102)과 접촉할 때, 작동 유체의 적하 방식 응축이 발생하여, 열 및 물질 전달 부품(100)으로부터의 열전달을 용이하게 한다. 이 결과는, 통상적으로 필름방식 응축에 민감한, 낮은 표면 장력 작동 유체(예를 들어, 약 15 mN/m 내지 30 mN/m 범위의 표면 에너지를 갖는 에탄올과 같은 작동 유체)로도 얻을 수 있다. 또한, 작동 유체에 노출되는 동안, 소수성 표면 특징부들(110) 내의 윤활유(112)의 안정성으로 인해, 적하방식 응축이 10시간 넘게 또는 그보다 오래, 및 가능하게는 수백 또는 수천 시간의 기간에 걸쳐 안정적으로 발생할 수 있다. 실험에 따르면, 1,000시간 초과, 심지어 2,880시간 초과(120일 초과) 동안 적하방식 응축이 달성될 수 있다.
유사하게, 용해된, 현탁된, 동반된, 결정화된 및/또는 침전된 고체들을 포함하는 작동 유체가 윤활제 함침 표면(102)과 접촉할 때, 윤활제 함침 표면 상의 고체들의 침착이 억제될 수 있다. 또한, 고체의 결정화 및/또는 침전이 억제될 수 있다. 따라서, 열 및 물질 전달 부품(100)은 파울링에 저항할 수 있다. 다시 말하지만, 소수성 표면 특징부들(110) 내의 윤활유(112)의 안정성으로 인해, 이러한 파울링 저항 특성은, 작동 유체에 노출되는 동안, 10시간 넘게 또는 그보다 오래, 및 가능하게는 수백 또는 수천 시간(예를 들어, 1,000시간 초과, 또는 2,880시간 초과)의 기간 동안 유지될 수 있다.
열전도성 기재(104)는 Cu, Al, Fe 및 Ti로 이루어진 군으로부터 선택된 금속을 포함할 수 있다. 예를 들어, 열전도성 기재(104)는 구리 또는 구리 합금, 예를 들어, 황동, 알루미늄 또는 알루미늄 합금, 철 또는 철 합금, 예를 들어, 스테인리스 스틸, 및/또는 티타늄 또는 티타늄 합금을 포함할 수 있다. 나노구조화 표면 돌출부들(106)은 산화구리, 산화알루미늄, 산화철, 및 이산화티타늄으로 이루어진 군으로부터 선택된 산화된 금속을 포함할 수 있다. 후술하는 바와 같이, 나노구조화 표면 돌출부들(106)은 열전도성 기재(104)의 표면 산화를 수반하고, 표면의 나노구조화를 유도하는 공정에서 형성될 수 있다. 전형적으로, 나노구조화/표면 산화는 열전도성 기재(104) 내로 약 2 마이크론 이하, 또는 약 1 마이크론 이하의 깊이로 확장된다.
나노구조화 표면 돌출부들(106)은 약 5 내지 약 50 범위의 거칠기 인자(roughness factor) r을 나타낼 수 있다. 거칠기 인자 r은 투영된 면적(예를 들어, 같은 크기와 기하학적 형상의 매끄러운 표면의 면적)에 대한 총괄 표면적의 비로 정의될 수 있다. 나노구조화 표면 돌출부들은 크기, 모양 및 위치가 균일할 수 있거나, 표면 돌출부들은 도 1b에 도시된 바와 같이 크기, 형상 및/또는 위치가 불균일(불규칙)할 수 있다. 제조 방법에 따라, 표면 돌출부들은, 도 2의 (a) 및 (b)의 SEM 및 FIB 이미지에서 볼 수 있는 바와 같이, 칼같은 형상 또는 블레이드 형상으로 기술될 수 있으며, 여기서 각 돌출부의 길이는 돌출부의 너비보다 크며, 그 너비는 두께보다 훨씬 더 크다. 다른 예에서, 표면 돌출부들은 원뿔, 원통 및/또는 막대 형상일 수 있다. 전형적으로, 나노구조화 표면 돌출부들은 약 300 nm 내지 약 3 마이크론, 또는 더욱 전형적으로 약 500 nm 내지 약 1 마이크론 범위의 높이를 가질 수 있다. 표면 돌출부들의 너비 또는 직경은 약 50 nm 내지 약 1 마이크론, 또는 더욱 전형적으로 약 100 nm 내지 약 500 nm의 범위에 놓일 수 있다. 칼같은 형상의 돌출부들의 경우, 두께는 약 10 nm 내지 약 200 nm, 또는 약 10 nm 내지 약 100 nm 범위에 놓일 수 있다.
나노구조화 표면 돌출부들은 소수성 종을 사용한 표면 개질(또는, 작용화)에 의해 소수성이 된다. 표면 작용화를 위해 후술하는 화학 기상 증착(CVD) 공정 또는 다른 적합한 방법이 사용될 수 있다. CVD 동안, 원하는 소수성 종이 표면 돌출부들에 증착된다. 따라서, 소수성 종을 포함하는 공형 코팅(conformal coating) 또는 단일층(monolayer)으로 기술될 수 있는 것이, 표면 돌출부들 상에 형성되거나 및/또는 표면 돌출부들에 부착될 수 있다. 소수성 종들은 소수성 분자 또는 화합물로 이해될 수 있다. 전형적으로, 소수성 종은 메틸-실란, 선형 알킬-실란, 분지형 알킬-실란, 방향족 실란, 플루오르화 알킬-실란, 및/또는 디알킬-실란과 같은 실란을 포함한다. 적합한 실란은 헵타데카플루오로데실트리메톡시 실란(HTMS)일 수 있다.
위에서 나타낸 바와 같이, 인접한 표면 돌출부들(106) 사이의 영역은 모세관 력에 의한 플루오르화 윤활제(112)의 함침을 허용하는 표면 틈새들(106a)을 정의한다. 함침의 임계 접촉각은
Figure pct00017
로 정의될 수 있으며, 여기서
Figure pct00018
는 고체가 차지하는 투영된 영역의 비율이고,
Figure pct00019
는 투영된 영역에 대한 총괄 표면적의 비율이다. 실란으로 작용화된 산화구리 표면 돌출부들을 사용하여 하기에 설명된 예에서,
Figure pct00020
Figure pct00021
85º,
Figure pct00022
Figure pct00023
0.023, 및
Figure pct00024
Figure pct00025
10이다. 성공적인 함침을 위해, 매끄러운 금속 표면 상의 윤활유(112)의 고유 접촉각은 이 임계각보다 작을 수 있다.
작동 유체와 플로오르화 윤활제의 표면 장력이 비슷할 때, 윤활제의 점도가 낮을수록, 액적 쉐딩(shedding)이 더 쉬워져, 윤활제 함침 표면에서 더 우수한 열전달 성능을 얻을 수 있다. 그러나, 윤활제의 점도가 너무 낮으면, 윤활제 함침 표면이 윤활제 배출(drainage)을 통해 빠르게 열화(degrade)될 수 있다. 따라서, 추정되는 바와 같이, 400 mPa·s 내지 6000 mPa·s 범위의 점도가 플루오르화 윤활제에 적합하다; 400 mPa·s 미만에서는, 윤활제가 배출되기 쉬우며, 6000 mPa·s 초과에서는, 윤활제가 액적 쉐딩에 저항할 수 있다. 이러한 이유로, 약 400 mPa·s 내지 약 4,000 mPa·s 범위, 또는 약 400 mPa·s 내지 약 1,000 mPa·s 범위와 같은, 더 낮은 점도가 바람직할 수 있다. 또한, 플루오르화 윤활제는 낮은 표면 에너지 및 증기압을 갖는 것이 유리할 수 있다. 예를 들어, 적합한 플루오르화 윤활제는 약 1,800 kg/m3 내지 약 2000 kg/m3 범위의 액체 밀도 ρ, 약 10 mN/m 내지 약 30 mN/m 범위의 낮은 표면 장력, 및/또는 약 1 x 10-7 kPa 이하의 증기압 P vap 를 가질 수 있다.
플루오르화 윤활제는 퍼플루오로폴리에테르(PFPE) 오일을 포함할 수 있으며, 이것은 분지형 또는 선형 화학구조를 가질 수 있다. PFPE 오일은 상업적으로 입수가능한 KrytoxTM 또는 Fomblin® PFPE 오일일 수 있다. PFPE 오일은, 하기와 같은 화학구조를 갖는, 낮은 분자량의 불소 단부 캡핑된 헥사플루오로프로필렌 에폭사이드의 호모폴리머를 포함할 수 있으며;
Figure pct00026
, 여기서, n = 10 내지 60이며, KrytoxTM PFPE 오일에 대해 표시된 바와 같다. 폴리머 사슬들은 완전히 포화되어, 오직 C, O 및 F 원소만을 포함할 수 있으며; 바람직하게는 수소(H)가 존재하지 않는다. 중량 기준으로, PFPE 오일은 약 22%의 탄소, 약 9%의 산소, 및 약 69%의 불소를 함유할 수 있다. 대안적으로, PFPE 오일은 하기와 같은 화학구조를 가질 수 있다:
Figure pct00027
, Fomblin® Y PFPE 오일에 대해 표시된 바와 같다. KrytoxTM의 CAS(Chemical Abstracts Services) 등록 번호는 60164-51-4이고, CA 색인명은 옥시란, 트리플루오로(트리플루오로메틸)-, 호모폴리머이며; Fomblin® Y의 CAS 등록 번호는 69991-67-9이고 선형 화학식은 CF3O[-CF(CF3)CF2O-]x(-CF2O-)yCF3이다. 플루오르화 윤활제로서 사용하기에 적합할 수 있는 예시적인 KrytoxTM 및 Fomblin® PFPE 오일은 KrytoxTM-VPF 1525, KrytoxTM-VPF 16256, 및 Fomblin® - Y25/6를 포함하며, KrytoxTM-VPF 1525는 3,470의 평균 분자량을 가지고, KrytoxTM-VPF 16256는 9,400의 평균 분자량을 가지며, Fomblin® - Y25/6는 3,300의 평균 분자량을 갖는다.
함침된 플루오르화 윤활제는 작동 유체의 침착된 액적 및 응축하는 액적 모두에 대해 화학적으로 균질하고 원자적으로 매끄러운 계면을 생성하여, 액적 쉐딩을 촉진할 수 있다. 유리하게는, 플루오르화 윤활제는 작동 유체와 비혼화성이다. 플루오르화 윤활제가 작동 유체에 대해 0 미만의 퍼짐 계수(spreading coefficient) S ol 를 포함하는 것이 또한, 유리하며, 이는 아래에 더 자세히 논의된다.
작동 유체는 수성 유체 또는 유기 유체일 수 있다. 예를 들어, 작동 유체는 물, 알코올, 지방족 및 방향족 탄화수소, 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 특정 예는 에탄올, 이소프로필 알코올, 펜탄, 헥산, 크실렌 및/또는 톨루엔을 포함한다. 작동 유체는 낮은 표면 장력 작동 유체(예를 들어, 약 15 mN/m만큼 낮은 표면 장력을 가짐)일 수 있다. 작동 유체는 용해된, 현탁된 또는 동반된 유기 고체 및/또는 무기 고체를 포함할 수 있다. 도 3의 이미지는 플루오르화 윤활제, 특히 Krytox® VPF 1525를 포함하는 윤활제 함침 표면 상에서, 각각 물, 에탄올 및 헥산을 포함하는 액적(하단 이미지)과 비교하여, 매끄러운 소수성 표면 상에서 물, 에탄올 및 헥산을 포함하는 액적(상단 이미지)의 거동을 보여준다.
아래에 설명된 실험에서 알 수 있듯이, 윤활제 함침 표면이 약 15 mN/m 내지 약 30 mN/m 범위의 표면 장력을 갖는 작동 유체와 접촉하는 경우, 열 및 물질 전달 부품로부터의 열전달은 윤활제 함침 표면을 포함하지 않는 종래의 부품으로부터의 열전달과 비교하여, 적어도 약 100%, 또는 적어도 약 150% 만큼 향상될 수 있다. 더욱 구체적으로, 윤활제 함침 표면이 에탄올, 크실렌 또는 헥산과 같은 작동 유체와 접촉하는 경우, 증기압 범위에 걸쳐 적어도 약 6 kW/m2K의 정상 상태 응축 열전달 계수 h c 가 달성될 수 있다.
유사하게, 예상되는 바와 같이, 윤활제 함침 표면이 용해된 고체들을 포함하는 작동 유체와 접촉하는 경우, 열 및 물질 전달 부품의 파울링의 개시가 상당히 지연될 수 있어, 그 결과, 윤활제 함침 표면을 포함하지 않는 종래의 열 및 물질 전달 부품에 비해 동일한 시간 동안 최대 97% 만큼 파울링이 감소된다.
앞에서 언급한 윤활제 함침 표면을 제조하는 방법이 또한, 본 개시내용에 기재되어 있다. 간단하고 비용 효율적인 이 방법은 대형 부품 및/또는 대량 제조를 위해 쉽게 스케일업(scale-up)될 수 있다. 이 방법은 하기에 기술된 바와 같이 열전도성 기재를 세정하여 세정된 기재를 형성한 다음, 세정된 기재를 뜨거운 물 또는 뜨거운 알칼리성 용액에 노출시켜, 나노구조화 표면 돌출부들을 갖는 열전도성 기재를 형성하는 단계를 포함한다. 소수성 종들은 나노구조화 표면 돌출부들 상에 증착되어, 소수성 표면 특징부들을 형성한 다음, 플루오르화 윤활제로 함침된다. 즉, 소수성 표면 특징부 상에 플루오르화 윤활제를 도포하거나 코팅하여, 모세관 력에 의해 함침이 일어난다. 바람직하게는, 윤활유는 400 mPa·s 내지 6,000 mPa·s 범위의 점도를 갖는다. 따라서, 윤활제 함침 표면은 열 및 물질 전달 부품 상에 형성될 수 있다.
세정은 열전도성 기재를 아세톤, 알코올, 탈이온수(DI water) 중 하나 이상의 유체에 노출시키는 단계를 포함할 수 있다. 노출은, 적어도 1분, 및 전형적으로 수십 분(예를 들어, 약 1분 내지 약 60분)과 같은 적합한 지속 기간 동안, 유체(들)에 열전도성 기재를 함침(예를 들어, 침지에 의해) 시키는 것을 수반할 수 있다. 예를 들어, 열전도성 기재는, 전형적으로 각각 적어도 약 1분 동안, 아세톤, 에탄올, 이소프로판올 및 탈이온수에 연속적으로 노출될 수 있다. 각각의 노출에 대한 전형적인 지속시간은 5분 내지 15분의 범위에 있다. 세정 후, 열전도성 기재는 표면 상의 임의의 자연적인 산화물의 제거를 위해, 염산과 같은 산성 용액에 선택적으로(optionally) 노출될 수 있다. 세정 및/또는 산 노출은 전형적으로 탈이온수로 헹구고, 선택적으로(optionally) 깨끗한 질소 가스 중에서의 건조를 포함할 수 있다.
나노구조화 표면 돌출부들의 형성(또는, "나노구조화")은 약 85 ℃ 내지 약 95 ℃ 범위의 온도에서 뜨거운 물 또는 뜨거운 알칼리성 용액에 대한 노출(예를 들어, 침지)을 수반할 수 있다. 뜨거운 물은 알루미늄 기재에 적합할 수 있는 반면, 뜨거운 알칼리성 용액은 구리 기재에 사용될 수 있다. 예시적인 뜨거운 알칼리성 용액은 NaClO2, NaOH, Na3PO4·12H2O, 및 탈이온수(DI)를 포함하고, 여기서 성분들은 각각 3.75 : 5 : 10 :100의 중량비일 수 있다.
나노구조화 표면 돌출부 상에 소수성 종의 증착은 소수성 종의 대기압 화학 기상 증착(CVD)에 의해 수행될 수 있으며, 소수성 종은 상기 기술된 바와 같은 실란을 포함할 수 있다. 대기압 CVD는 나노구조화 표면 돌출부를 갖는 세정된 기재 및 소수성 종의 전구체 용액을 함유하는 밀폐된 챔버에서 수행될 수 있다. 적합한 온도(예를 들어, 70 °C 내지 90℃)로 가열하면, 전구체 용액은 증발할 수 있고, 소수성 종은 나노구조화 표면 돌출부에 침착되고 부착되어, 소수성 표면 특징부를 형성할 수 있다. 예시적인 대기압 CVD 공정이 아래에서 설명된다.
소수성 표면 특징부가 형성되면, 예를 들어, 침지 코팅(dip coating) 또는 당해 기술분야에 공지된 다른 코팅 기술을 사용하여, 플루오르화 윤활제로 코팅될 수 있다. 위에서 논의한 바와 같이, 표면 틈새로의 플로오르화 윤활제의 함침은 모세관 력에 의해 구동될 수 있다. 이 방법은 소수성 표면 특징부를 플루오르화 윤활제로 코팅한 후, 소수성 표면 특징부로부터 과량의 플루오르화 윤활제를 배출하고, 이어서 선택적으로(optionally) 기체 스트림(예를 들어, N2) 중에서 건조하는 단계를 더 포함할 수 있다.
하기 실시예에서 설명되는 바와 같이, 에탄올, 헥산 및 크실렌의 안정적인 적하방식 응축은 플루오르화 윤활제, 특히, PFPE 오일로 함침된 표면 개질된 나노구조화 돌출부를 포함하는 소수성 표면 특징부 상에서 달성될 수 있다. 에탄올, n-헥산 및 크실렌은, 통상적인 알코올 및 탄화수소 거동을 잘 나타내고 이들의 응축 성능이 이러한 분자들에 대한 벤치마크 역할을 하기 때문에, 실시예의 작동 유체로 선택되었다.
엄격한 열전달 측정은, 매끄러운 소수성 표면과 비교하여, 윤활제 함침 표면에 대한 열전달계수 및 결과적인 응축 열전달 플럭스에 있어서 100% 내지 150% 사이의 상당한 향상을 나타낸다. 또한, 입증되는 바와 같이, 신중한 윤활제의 선택은 열전달 성능에 있어 무시할 만한 변화로 장기간 연속 적하방식 응축을 가능하게 할 수 있다. 또한, 표면들을 제조하는 데 사용되는 화학적 산화 기반의 나노구조화 공정은, 파울링에 저항성을 갖고 낮은 표면 장력 유체의 액적방식 응축을 유지할 수 있는, 열 및 물질 전달 부품들을 생성하는 간단하고, 확장 가능하며, 비용 효율적인 방법을 제공하는 것으로 추정된다.
윤활제 선택
윤활제 함침 표면 안정성의 주요 기준은 윤활제와 작동 유체, 또는 응축수가 비혼화성이라는 것이다. 액상에서 물 분자의 강한 분자내 상호작용(수소 결합)으로 인해 대부분이 본질적으로 비극성인 다양한 윤활제와 비혼화성이 된다. 그러나, 다수의 낮은 표면 장력 유체들은 강한 분자내력(intramolecular forces)을 갖지 않고 본질적으로 비극성이어서, 윤활제의 합리적인 선택을 제한할 수 있다. 에탄올 및 헥산에 적합한 윤활제를 선택하기 위해, 낮은 표면 장력의 알코올 및 탄화수소(γ = 12 mN/m 내지 30 mN/m)와, 광범위한 계면 파라미터, 증기압(5 x 10-8 kPa 내지 0.7 kPa) 및 점도(4 mPa·s 내지 5300 mPa·s)를 갖는 윤활제와의 혼화성이 연구된다. 물과의 비혼화성에도 불구하고, 시험된 대부분의 윤활제, 특히, 실리콘 오일은, 에탄올 및 헥산과 혼화성이다. 플루오르화 오일은 에탄올 및 헥산 둘 다와 비혼화성인 것으로 밝혀졌다.
비혼화성 기준 외에도, 윤활제에 의한 액적의 "클로킹(cloaking)"을 방지할 필요가 있다. 표면 상의 윤활제는 응축액 액적을 캡슐화하여, 그 주위에 클록(cloak)을 형성할 수 있으며; 응축 동안, 그러한 클로킹된 액적들은 액적 성장 및 쉐딩이 억제된다. 클로킹의 존재는,
Figure pct00028
로 주어진, 응축수 액적들에 대한 윤활제의 퍼짐 계수를 계산함으로써 측정될 수 있으며, 여기서,
Figure pct00029
,
Figure pct00030
, 및
Figure pct00031
는 각각, 작동 유체(응축수)의 액체-증기 표면 장력, 윤활제의 액체-증기 표면 장력, 및 윤활제와 응축수 사이의 계면 장력이다.
Figure pct00032
인 경우, 윤활제가 응축수 액적을 은폐할 것이다. 2가지 플루오르화 윤활제, 즉 Krytox® VPF 1525("K1525," μ = 496 mPa·s) 및 Krytox® VPF 16256("K16256," μ = 5216 mPa·s)의 에탄올에 대한 계산된 퍼짐 계수는 -4.11 및 - 4.83이고, 헥산에 대한 계산된 퍼짐 계수는 각각 -2.54 및 -2.45이다. 따라서, 에탄올 및 헥산을 사용하여, 이들 플루오르화 윤활제에 대해,
Figure pct00033
인 원하는 비-클로킹(non-cloating) 조건이 달성된다. 사실, 혼화성과 클로킹을 모두 고려할 때, 플루오르화 윤활제는 에탄올 및 헥산을 사용하는 안정한 윤활제 함침 표면 설계에 대해 유일한 적합한 후보였다. 또한, 실험에 사용된 퍼플루오르화 윤활제(Fomblin® Y25/6; "Y25/6")는 에탄올 및 헥산과 또한 비혼화성이고 클로킹하지 않는다. 화학 조성, 점도 및 표면 장력 면에서 KrytoxTM 윤활제와 유사하게, Fomblin® 윤활제는, KrytoxTM 윤활제에 존재하는 분지형 분자와 비교하여, 선형 퍼플루오르화 분자를 가지고 있다. 요약은 표 1을 참조한다.
표 1. 10 ℃에서의 작동 유체, 및 합리적으로 선택된 20 ℃에서의 윤활제의 물리적 특성
작동 유체 액체 밀도,
Figure pct00034

[kg/m 3 ] 		액체-증기 표면 장력,
Figure pct00035

[mN/m] 		증기압,
Figure pct00036

[kPa] 		동점도,
Figure pct00037

[mPa·s]
물(탈이온수) 999.7 74.2 1.23 1.306
에탄올(200도, ≥ 99.5%) 789 23.03 3.11 1.568
헥산(n-헥산, ≥ 95%) 655 19.39 10.15 0.352
크실렌(p-크실렌) 861 29.37 0.473 0.716
윤활제
K1525 1900 19 1.3 x 10-8 496
K16256 1920 19 4 x 10-15 5216
Y25/6 1900 22 4.2 x 10-8 524
윤활제 특성은, 표면의 작동 유체에 대해, 겉보기 전진 접촉각(apparent advancing contact angle) 및 접촉각 히스테리시스(contact angle hysteresis) 둘 다를 결정하는데, 이 2가지 요소는 유체 필름의 형성을 방지하고 강렬한 적하방식 응축을 촉진하는 데 필요한 요소이다. 아래에 설명되는 에탄올과 헥산에 대한 적하방식 응축 결과는, 윤활제 함침 표면에서 윤활제보다 더 높은 표면 장력을 갖는 작동 유체의 경우, 열전달 성능이 윤활제 점도와 무관함을 보여준다. 그러나, 작동 유체와 윤활제의 표면 장력이 비슷해지면, 점도가 낮은 윤활제가 더 쉽게 액적 쉐딩을 초래하여, 윤활제 함침 표면에서 더 우수한 열전달 성능으로 이어진다. 그러나, 윤활제의 점도가 너무 낮으면, 윤활제 함침 표면이 윤활제 배수를 통해 빠르게 열화될 수 있다. 통상적으로 말해서, 적어도 약 400 mPa·s 또는 적어도 약 450 mPa·s의 동적 점도 μ를 갖는 윤활제가 바람직하다. 윤활제의 동점도 μ는 약 6,000 mPa·s 이하, 약 1,000 mPa·s 이하, 또는 약 700 mP·s 이하인 것이 또한, 유리할 수 있다. 최상의 열전달 결과를 위해, 450 mPa·s 내지 600 mPa·s(예를 들어, 약 500 mPa·s) 범위의 동적 점도 μ를 갖는 윤활제를, 안정적이고 내구성 있는 윤활제 함침 표면을 갖는 열 및 물질 전달 부품들에 사용할 수 있다. "동적 점도" 및 "점도"라는 용어는, 본 명세서 전반에 걸쳐 상호교환적으로 사용될 수 있으며, 점도 및/또는 다른 물리적 특성의 값은 상온(normal temperature)(예를 들어, 20 ℃ 및/또는 상압(normal pressure)(예를 들어, 1 atm) 조건에서 측정될 수 있다.
열 전달 성능
총괄 응축 열전달 성능을 측정하기 위해, 아래의 제조 세부 사항 구역에 설명된 대로 형성된 매끄러운 소수성(실란 작용화된) 구리 표면("HP Cu") 및 윤활제 함침 표면을 제어된 환경의 시험 챔버에서 시험하였다. 응축 실험에 앞서, 시험액으로 채운 별도의 증기 발생기를 격렬하게 끓였다. 시험 챔버는 챔버 격리 후 0.1 Pa/min의 누출 속도로
Figure pct00038
< 4 ± 2 Pa의 압력으로 비워졌다. 챔버 펌프 다운(chamber pump down)은 주로 응축 열전달에 대한 추가 확산 저항을 일으킬 수 있는 비응축성 가스를 제거하기 위해 수행되었다. 응축 실험 동안, 챔버 압력과 스팀 발생기 온도는 포화 상태를 보장하기 위해 지속적으로 모니터링되었다. 튜브 샘플의 표면 온도는 외부 수냉식 루프로 독립적으로 제어되었으며, 입구 및 출구 온도를 클래스 A 저항 온도 감지기(RTD)를 사용하여 지속적으로 측정하여, 총괄 열속(overall heat flux)을 측정하였다. 전형적인 입구에서 출구까지의 튜브 온도 차이는 튜브 샘플, 작동 유체 및 증기압에 따라 0.5 내지 7.5 ℃ 범위였다. 모든 실험에서, 냉각수 입구 온도는, 11 ± 0.3 L/min의 유량으로, 6 ± 1 °C로 일정하게 유지되어, 레이놀즈 수,
Figure pct00039
= 36,000인 완전한 난류 흐름이 발생하였다.
따라서, 응축 열전달 성능은, 에탄올의 경우 3.5 kPa <
Figure pct00040
< 10 kPa 및 헥산의 경우 11 kPa <
Figure pct00041
< 15 kPa의 증기압 범위 내에서 시험되었으며, 이것은 산업적 분리 및 증류 응용 분야에 사용되는 응축기의 통상적인 조건이다.
도 4의 (a) 내지 (c)는 매끄러운 소수성 구리 튜브 상에서 물, 에탄올 및 헥산 각각의 응축을 도시하며, 도 4의 (d) 내지 (f)는 윤활제 함침 표면으로 처리된 구리 튜브 상에서 물, 에탄올 및 헥산 각각의 응축을 도시한다. 아래 표 2는 매끄러운 소수성 구리("HP Cu") 및 다양한 플루오르화 윤활제("LIS K1525", "LIS K16256" 및 "LIS Y25/6")를 포함하는 윤활제 함침 표면 상에서 에탄올 및 헥산에 대한, 고유 전진 접촉각(
Figure pct00042
), 후진 접촉각(
Figure pct00043
및 접촉각 히스테리시스(
Figure pct00044
)을 포함한, 습윤 성질을 보여준다. 튜브 표면의 고유한 소수성으로 인해, 수증기 응축수는 외부 튜브 표면에 개별 액적들을 형성하고, 이것은 시간이 지남에 따라 성장한 후 중력에 의해 제거되어, 지속적인 액적방식 응축을 유지한다(도 4의 (a)). 그러나, 도 4의 (b) 및 (c)에서 입증된 바와 같이, 매끄러운 HP Cu 튜브의 고체-증기 계면은 낮은 표면 장력 유체에 의한 습윤을 방지할 만큼 충분히 낮은 표면 에너지를 갖지 않는다. 매끄러운 HP Cu 표면 상의 높은 접촉각 히스테리시스로부터 예상되는 바와 같이, 에탄올(도 4의 (b)) 및 헥산(도 4의 (c))은 필름방식 응축을 겪으며, 얇은 응축 필름의 추가된 열 저항으로 인해 열전달을 제한한다. 이에 반해, 도 4의 (d) 내지 (f)에 도시된 바와 같이, K1525 오일("LIS K1525")로 제작된 윤활제 함침 표면 상의 응축은, 응축 액적들과 비혼화성 윤활제 사이의 액체-액체 계면을 제공하여, 무시할 만한 액적 고정(droplet pinning), 낮은 접촉각 히스테리시스, 및 쉬운 액적 제거를 초래한다.
표 2. 샘플 젖음 특성.
샘플 에탄올 헥산
Figure pct00045
[°]
Figure pct00046
[°]
Figure pct00047
Figure pct00048
[°]
Figure pct00049
[°]
Figure pct00050
[°]
HP Cu 36.5 ± 1.2 23.4 ± 3.7 13.1 ± 3.9 12.6 ± 2.8
Figure pct00051
0		 12.6 ± 2.8
LIS K1525 71.1 ± 2.4 69.3 ± 2.6 1.8 ± 3.5 45.7 ± 2.3 42.1 ± 2.5 3.6 ± 3.4
LIS K16256 67.8 ± 1.9 65.2 ± 3.2 2.6 ± 3.7 44.1 ± 2.6 40.7 ± 2.8 3.4 ± 3.8
LIS Y25/6 62.4 ± 2.3 59.7 ± 2.6 2.7 ± 3.5 37.4 ± 3.2 34.6 ± 2.7 2.8 ± 4.2
모든 응축 열전달 실험에서, 응축 속도는
Figure pct00052
가 증가함에 따라 증가한다. 에탄올과 헥산을 사용하기 전에, 작동 유체로 스팀을 사용하여 열전달 측정 방법을 벤치마킹하였다. 측정들은, 수평 튜브들의 적하방식 및 필름방식 응축 모드들 둘 다에 대한 이전 스팀 응축 결과들과 매우 잘 일치한다.
도 5a 및 5b는, 각각 에탄올 및 헥산에 대한, 로그 평균 증기 대 액체 온도 차이(
Figure pct00053
, 여기서,
Figure pct00054
,
Figure pct00055
, 및
Figure pct00056
은 증기, 냉각수 입구, 및 냉각수 출구의 온도들임)의 함수로서 측정된 정상 상태 총괄 응축 열속(
Figure pct00057
)을 보여준다. 튜브 내부 열전달 계수를 최대화하기 위해, 냉각수 질량 유량은 모든 실험들에서 11 ± 0.3 L/min으로 일정하게 유지되었다(1.02 <
Figure pct00058
≤ 1.7, 7 <
Figure pct00059
< 25°C, 여기서, S는 과포화도이고,
Figure pct00060
는 외삽된 튜브 표면 온도임). 총괄 열전달 계수(HTC)
Figure pct00061
는, 응축 열속(
Figure pct00062
)의 측정값들 및 계산된
Figure pct00063
값들로부터 계산되었다. 내부 튜브 단일 상 강제 대류 및 구리 튜브 벽을 통한 방사상 전도의 열 저항들을 알아낸 후, 튜브 외부 표면에서의 정상 상태 응축 열전달 계수
Figure pct00064
를 계산하였다. 결과들을 검증하기 위해, 튜브 응축에 대한 고전적인 누셀트(Nusselt) 이론을 사용하여, 필름방식 응축을 모델링하였다. 매끄러운 소수성 구리(hydrophobic copper: HP Cu) 표면 상에서의 에탄올 및 헥산의 필름방식 응축 결과들(도 5a 내지 5d의 정사각형 기호)은 누셀트 이론(점선)과 매우 잘 일치한다.
예상대로, 에탄올 및 헥산의 경우, 열전달에 대한 지배적인 열 저항으로서 작용하는 얇은 응축물 필름(thin condensate film)으로 인해, HP Cu 튜브는 가장 낮은 총괄 및 응축 HTC를 갖는 필름방식 거동을 보였다(에탄올의 경우
Figure pct00065
Figure pct00066
2.87 ± 0.4 kW/m2K,
Figure pct00067
Figure pct00068
3.38 ± 1.3 kW/m2K, 그리고 헥산의 경우
Figure pct00069
Figure pct00070
3.43 ± 0.5 kW/m2K,
Figure pct00071
Figure pct00072
3.93 ± 1.07 kW/m2K). 정상 상태 필름방식 응축(steady filmwise condensation) HTC(
Figure pct00073
)는, 튜브 외부 표면 상에서의 응축물의 축적으로 인해,
Figure pct00074
가 증가함에 따라 감소하여(도 5c 및 5d), 총괄 열 저항을 증가시켰다.
대조적으로, 에탄올과 헥산 둘 다 윤활제 함침 표면(LIS)을 갖는 튜브들 상에서 일정한(steady) 적하방식 응축 거동을 나타냈다. LIS 튜브 상에서 에탄올과 헥산의 적하방식 응축 동안의 열전달 성능은, 각각 도 5c 및 5d에 도시된 바와 같이, 필름방식 응축 동안의 열전달 성능을 훨씬 초과하였다(에탄올의 경우
Figure pct00075
Figure pct00076
4.8 ± 0.4 kW/m2K,
Figure pct00077
Figure pct00078
6.23 ± 0.7 kW/m2K, 그리고 헥산의 경우
Figure pct00079
Figure pct00080
6.9 ± 0.9 kW/m2K,
Figure pct00081
Figure pct00082
9.4 ± 1.6 kW/m2K). 3개의 개별적 윤활제들(LIS K1525, LIS K16256, 및 LIS Y25/6)을 갖는 3개의 서로 다른 윤활제 함침 표면들은, 에탄올 및 헥산 응축에 대해, 유사한 향상된 열전달 성능을 제공하였으며, 이때, 열전달 성능은 에탄올과 헥산 각각에 대해
Figure pct00083
에서의 ±11% 및 ±30%의 편차(variance), 및 에탄올 및 헥산 각각에 대해
Figure pct00084
에서의 ±13% 및 ±40%의 편차를 보였다. 적하방식 응축 열전달 향상은
Figure pct00085
가 높을수록 더욱 두드러지며, 여기서, 여기서, 필름방식 HTC는 응축물 필름 두께 증가로 인해 감소하는 반면, 적하방식 HTC는 더 높은 과포화도에서의 핵생성 부위 활성화로 인해 증가한다.
매끄러운 소수성 Cu 튜브 상에서의 필름방식 응축과 비교하여, 3개의 LIS 튜브들 모두 상에서의 헥산의 적하방식 응축에 대한 향상된 열전달 성능은, 에탄올의 경우에 관찰된 것과 같은 정도로 두드러진다. 도 5d를 참조하면, K1525 주입 LIS 튜브(LIS K1525)가 최고의 성능을 보여준다.
Figure pct00086
는, LIS K1525의 경우 150% 만큼, LIS Y25/6의 경우 100% 만큼, LIS K16256의 경우 50% 만큼,
Figure pct00087
보다 더 높다. 흥미롭게도, 3개의 LIS 튜브들 모두는, 에탄올의 경우
Figure pct00088
에서의 ±13%의 편차를 갖지만, 헥산의 경우
Figure pct00089
에서의 통계적으로 현저한 차이가 관찰된다.
편차를 설명하기 위해, 윤활제 및 헥산의 열물리적 특성 둘 다(표 1)를, 윤활제 함침 표면 상에서의 응축물 액적의 접촉각 히스테리시스(표 2)와 함께 조사하였다. 에탄올의 경우, 3개의 윤활제 함침 표면들 상에서의 고유 전진 접촉각(intrinsic advancing contact angle)(
Figure pct00090
)은 62.4º <
Figure pct00091
< 71.1º이며, 최대 접촉각 히스테리시스는
Figure pct00092
2.7º이다(표 2). 낮은
Figure pct00093
2.7º, 및 중간
Figure pct00094
65º는, 예상되는 열전달 결과를 최소화하면서, 3개의 윤활제 함침 표면들 모두에 대해 안정한 적하방식 응축을 보장할 수 있다. 그러나, 헥산의 경우, 3개의 윤활제 함침 표면들 상에서의
Figure pct00095
는 37.4º <
Figure pct00096
< 45.7º 이고, 그 최대
Figure pct00097
3.6º이며(표 2), 그 결과, 적하방식으로부터 필름방식으로의 전이에 가까운 응축이 발생한다. 적하방식 응축 안정성은,
Figure pct00098
-매개된 액적 쉐딩(슬라이딩) 길이 규모(
Figure pct00099
-mediated droplet shedding (sliding) length scale)에 의해 지배된다. 헥산의 경우에서 관찰된 바와 같이(표 1), 상대적으로 낮은
Figure pct00100
(<50º)를 갖는 액적의 경우, 액적 쉐딩 길이 규모는, 모세관 지배 체제(capillary-dominated regime) 내에 머무르는 데 필요한 것보다 더 클 수 있다. 상승된
Figure pct00101
및 상대적으로 낮은
Figure pct00102
의 조합을 갖는 표면들의 경우, 액적 쉐딩 길이 규모가 너무 커져서, 모세관 현상이 액적 동역학을 지배하는 것을 중단하여, 중력 지배 체제(gravity-dominated regime)로 넘어갈 수 있으며(
Figure pct00103
≫ 1, 여기서,
Figure pct00104
는
Figure pct00105
종속 출발 액적 본드 번호(
Figure pct00106
dependent departing droplet Bond number)이고,
Figure pct00107
임), 표면 상에서의 웅덩이 형성(puddle formation), 및 필름방식 응축이 발생할 수 있다.
이러한 실험들에서, 헥산은 3개의 LIS 튜브들 모두에서 적하방식 응축을 겪었지만, K1525는, 그것의 낮은 표면 장력(
Figure pct00108
Figure pct00109
19 mN/m)으로 인해, 적하방식 안정성을 보장할 수 있는 가장 큰
Figure pct00110
를 갖는다는 유리한 특성을 가지며, 동시에 이에 상응하여, 응집(coalescence) 동안 용이한 액적 쉐딩 및 접촉선 이동을 보장할 수 있는 낮은 윤활제 점도(
Figure pct00111
, 표 1)를 갖는다는 유리한 특성을 갖는다. 이러한 우수한 적하방식 응축 안정성은, 헥산 적하방식 응축 열전달에 대한 이러한 실험들에서, 그것을 가장 안정한 윤활제로 만들며, 그 결과,
Figure pct00112
Figure pct00113
6.9 ± 0.9 kW/m2K이고,
Figure pct00114
Figure pct00115
9.6 ± 1.5 kW/m2K이다.
LIS Y25/6 상에서 침착된 헥산 액적은 높은 윤활제 표면 장력(
Figure pct00116
Figure pct00117
25 mN/m, 표 1)으로 인해 가장 낮은
Figure pct00118
를 나타내지만, 선형 플루오르화 폼블린(Fomblin) 진공 오일의 높은 화학적 균질성으로 인해 상기 액적은 가장 낮은
Figure pct00119
를 갖는다. 낮은
Figure pct00120
는 우수한 적하방식 응축 안정성을 보장하지만, LIS Y25/6 상에서의 헥산의 응축은, LIS K1525보다, 적하방식으로부터 필름방식으로의 전이에 더 가깝게 근접해 있다. 결과적으로, 표면 상에서의 일시적인 준적하방식 응축(일시적인 액체 필름 형성)읜 존재 때문에, 약간 더 낮은 열전달 성능이 관찰되며, 이때,
Figure pct00121
Figure pct00122
5.7 ± 0.4 kW/m2K이고,
Figure pct00123
Figure pct00124
7.5 ± 0.7 kW/m2K이다.
마지막으로, LIS K16256은, 비록 LIS K1525(표 2)와 유사한 헥산 젖음 거동을 갖지만, 두 LIS 대안들(표 1)보다 한 자리수 크기만큼 더 높은 점도를 갖는다. 상승된 점도는, 열전달 장애에 대한 대안적 메커니즘을 보여주며, 그 결과, 헥산 응축물 액적 응집 동안 느린 액적 응집 및 일시적 필름 형성을 발생시킨다. K16256 윤활제의 높은 점도는 응집 액적 접촉선의 이동을 둔화(dampen)시키는 작용을 할 수 있으며, 그 결과, 액적 이탈 반경(droplet departure radii)이 더 커지고, 일시적 필름이 불규칙한 형상을 갖게 된다. 또한, 윤활제 층과 응축물 액적 사이의 추가적인 전단 응력은, 더 낮은 점도의 K1525 및 Y25/6 윤활제와 비교하여, 중력에 의해 제거되기 전에 LIS 튜브 상에서의 응축물 액적의 체류 시간을 증가시켜, 액적 제거를 방해할 수 있다. 튜브로부터의 더 느린 액적 제거는 재핵생성 속도를 감소시켜, 응축 속도와 열전달 성능을 낮추며, 그 결과,
Figure pct00125
Figure pct00126
5.3 ± 1.1 kW/m2K이고,
Figure pct00127
Figure pct00128
6.8 ± 1.8 kW/m2K이다. K16256 LIS는, 3개의 LIS들 중 가장 낮은 열전달 성능을 가졌음에도 불구하고, 헥산의 연속적인 적하방식 응축을 촉진하여, 도 5d에 나타난 바와 같이, 종래의 필름방식 축합에 비해, 50% 더 높은
Figure pct00129
를 나타냈다.
윤활제 함침 표면을 갖는 세 개의 튜브 모두 상에서의 헥산의 적하방식 응축 동안의 열전달 성능은 에탄올 응축의 경우에서 보다 더 높다. 헥산에 대한
Figure pct00130
는, 에탄올에 대한
Figure pct00131
보다, LIS K1525의 경우 45% 만큼, LIS Y25/6의 경우 35% 만큼, LIS K16256의 경우 15% 만큼, 더 높다. 더 높은 응축 HTC는, 3개의 윤활제 함침 표면들 상에서의, 에탄올(62.4º <
Figure pct00132
< 71.1º)에 비한, 헥산의 더 낮은 고유 전진 접촉각(37.4º <
Figure pct00133
< 45.7º)에 기인할 수 있다. 접촉각이 낮을수록, 헥산 응축물 액적과 윤활제 함침 표면 사이의 접촉 면적이 넓어져, 액적 전도 저항이 낮아지고, 열전달이 증가한다.
내구성 및 장기간 성능
기능성 코팅의 내구성 및 장기간 성능은 산업적 적용 분야에서의 그것의 수용을 위해 가장 중요하다. 윤활제 함침 표면의 경우, 표면 나노구조 내로부터의 윤활제의 배출이 문제가 될 수 있다. 시간 경과에 따른 윤활제 함침 표면의 내구성 및 열전달 성능을 시험하기 위하여, 초기 실험들에서는, 증기 발생기의 용량을 기준으로 하여, 7시간 동안, 에탄올 및 헥산을 사용한 연속 응축을 수행하였다.
도 6은, LIS K1525 상에서의 에탄올(상부 이미지) 및 헥산(하부 이미지) 응축에 대한 이미지들의 시간경과 시퀀스를 보여주며, 420분의 전체 시간 동안의 적하방식 응축을 보여준다. 유사한 효과들이 LIS K16256 및 LIS Y25/6을 사용한 경우에서 관찰되었으며, 이는, 윤활제 함침 표면으로부터의 윤활제 배출이 적어도 7시간 규모에 걸쳐 무시할 만하고, 따라서, 적하방식 열전달 성능이 장기간에 걸쳐 유지될 수 있음을 보여준다. 이 결과는, 전단 배출(shear drainage) 및 윤활제 고갈(lubricant depletion)이, 합리적인 시간 규모(적어도 10시간)에 걸쳐, 윤활제 함침 표면의 응축 성능을 방해하지 않음을 보여준다. 충분히 높은 점도의 플루오르화 윤활제(400 내지 6000 mPa·s)를 사용하면, 에탄올 및 헥산의 장기간 적하방식 응축이 보장되는 것으로 믿어진다. 여기에 사용된 세 가지 윤활제는, 요약하면, 다음과 같은 특성들을 갖는다: Krytox® VPF 1525 (
Figure pct00134
= 496 mPa·s,
Figure pct00135
= 250 cSt), Krytox® VPF 16256 (
Figure pct00136
= 5216 mPa·s,
Figure pct00137
= 2560 cSt), 및 Fomblin® Y25/6 (
Figure pct00138
= 524 mPa·s,
Figure pct00139
　=　276 cSt). 주목되어야 하는 바와 같이, 윤활제 함침 표면의 최상의 열전달 성능을 위한 최적의 윤활유 점도 범위 또한, 작동 유체 및 그것의 특성에 따라 달라질 수 있다.
추가 실험들에서, 윤활제 함침 표면의 내구성은, 연속 에탄올 응축 동안 훨씬 더 긴 시간 규모(>120일)에 걸쳐 평가되었다. 윤활제 함침 표면은, 실험 기간(2880시간 이상) 동안 눈에 띄는 열화 및 지속적인 적하방식 응축을 나타내지 않았다.
장기간 내구성 실험은, 산업용 콘덴서에서 마주치는 것과 유사한 조건에서, 최대 몇 개월의 기간 동안, 다수의 시편들(예를 들어, 윤활제 함침 표면을 갖는 튜브들)의 내구성을 동시에 시험하도록 설계된 진공 챔버에서 수행되었다. 진공 챔버는 초기에 액체 에탄올로 채워졌고(총 부피의 3분의 1), 이때, 랩핑된 테이프 히터(wrapped tape heaters)로 액체 에탄올을 끓였다. 튜브들은 진공 챔버의 상단부 가까이에 배치되었으며, 냉각수는 냉각기 펌프로부터 튜브들 내부를 통해 흘렀다. 증기(이 실험들에서는 에탄올)는 진공 챔버 내부에서 생성되었고, 증기는 차가운 외부 튜브 표면들과 접촉할 때 응축되었다. 진공 챔버 내부에 있는 튜브들 상에서의 응축을 시각화하고, 응축 모드가 적하방식으로부터 필름방식으로 전이되는지 여부와 그 시기를 측정하기 위해, 카메라가 설치되었다. 열전쌍 판독값, 증기 압력, 및 냉각 액체 유량을 기록하기 위해, 데이터 획득 시스템이 설치되었다. 냉매(물) 유량 및 히터 설정은, 모든 표면들로부터의 누적 응축 속도가 액체(에탄올) 비등 속도와 일치하도록, 조절되었으며, 그에 따라, 챔버 내부의 일정한 포화 조건(steady saturation conditions)(증기압)를 유지하였다. 에탄올 축합의 경우, 사용된 조건은 Tchiller = 5 ℃, Tsat= 18 ℃ 및 Psat= 5.15 kPa이었다.
도 7의 A 내지 D는, 각각, LIS K1525, LIS K16256, LIS Y25/6, 및 초소수성 CuO에 대한 연속 에탄올 응축 실험 동안, 2805시간(거의 117일)의 시간에서의 응축 모드를 보여준다. 윤활제 함침 표면들(LIS K1525, LIS16256 및 LIS Y25/6) 각각은, 장기간 실험의 전체 기간에 걸쳐, 적하방식 응축 거동을 보인 반면, 초소수성 CuO 표면은 초기부터 필름방식 응축을 나타냈다. 특히, 다른 윤활제보다 훨씬 낮은 동적 점도(μ = 33 mPa·s)를 갖는 범용 PFPE 오일인 KrytoxTM GPL 101을 포함하는 윤활제 함침 표면은, 연속 에탄올 응축 실험 동안, 10일 이내에, 적하방식으로부터 필름방식 응축 거동으로의 전이를 나타냈다.
산업상 이용가능성
본 명세서에서 보고된 발견은, 낮은 표면 장력 유체의 적하방식 응축을 위한, 내구성 및 확장가능성을 갖는 견고한 표면의 잠재적 개발에 중요한 의미를 갖는다. 특히, 냉각제(refrigerants)의 응축은, 열전달 계수가 높은 표면이 에너지 소비를 실질적으로 줄일 수 있는 널리 사용되는 산업 공정이다. 에탄올 및 헥산의 안정한 적하방식 응축의 실증은, 윤활제 함침 표면이 냉각제 반발 표면(refrigerant-repellant surfaces)을 생성하기 위한 잠재적인 해결책이 될 수 있음을 보여준다. 더욱이, 압축기 윤활제 동반(compressor lubricant entrainment)으로부터 기인하는 상업용 냉동 시스템 내의 1% 내지 5%의 오일 함량의 존재는, 정상 상태에서 압축기 윤활제로 보충될 수 있는 닫힌 사이클 윤활제 함침 응축기 표면을 개발할 수 있는 독특한 기회를 제공한다. 실제로, 공기 조절 시스템의 응축기 입구에서, 냉각제는, 응축기 표면 상에 침착될 수 있는 동반된 저증기압 압축기 오일 액적과 함께, 과열된 증기로서 들어가며, 그에 따라, 시스템 불이익(오일 동반)을 이점으로 전환할 수 있는 기회를 제공한다.
냉각(refrigeration) 외에도, 화학 플랜트, 천연 가스 생산 시설, 바이오매스 연소 유닛, 및 식품 산업과 같은 비냉각제 낮은 표면 장력 공정 유체(non-refrigerant low-surface-tension process fluids)를 사용하는 시스템들은, 응축기 크기 감소 및 에너지 비용 절감과 관련하여 적하방식 응축으로부터 상당한 이점을 얻을 수 있다. 본 연구는, 윤활제 함침 표면 상에서의 낮은 표면 장력 유체에 대해 강렬하고 지속가능한 적하방식 응축이 달성될 수 있으며, 그에 따라, 종래의 매끄러운 소수성 표면 상에서의 필름방식 응축에 비해 150% 더 높은 열전달 계수를 달성한다는 것을, 처음으로 보여준다.
응축 열전달을 향상시키는 것 외에도, 윤활제 함침 표면은, 많은 산업용 열전달 적용분야에서 중요한 관심사인 산업 규모의 공정 파울링 및 스케일 축적(industrial-scale process fouling and scale buildup)을 억제할 수 있다. 파울링 방지 및 향상된 열전달에 의해 제공되는 상승 효과는, 열 및 물질 전달 부품의 성능과 수명 둘 다를 극적으로 향상시킬 수 있는 상당한 잠재력을 갖는다.
제작 세부사항
튜브 세정 절차: 이 실험에 사용된 구리 튜브는 시험 전에 체계적으로 세정되었다. 모든 튜브는, 양 단부에서, 암나사형 ¼" 스테인리스강 Swagelok 튜브 피팅과 연결되었고, ¼" 스테인리스강 Swagelok 너트로 캡핑되었다(capped). 튜브의 캡핑은 내부 표면 상에서 산화 또는 작용화가 발생하지 않도록 보장하여, 동일한 냉각수 흐름 조건이 유지되도록 하였다. 캡핑된 후, 튜브들을, 별도의 맞춤형 PVC(폴리비닐 클로라이드) 트로프(troughs)에서, 실온에서, 각각 약 10분 동안, 아세톤, 에탄올, 이소프로필 알코올(IPA) 및 탈이온수(DI)에 담금으로써, 튜브들을 후속적으로 세정하였다. 튜브들을 탈이온수로 헹구고 깨끗한 질소 스트림에서 건조한 후, 튜브들을 2.0 M 염산 용액에 10분 동안 침지하여, 표면 상의 자연 산화물 필름을 제거하였다. 마지막으로, 튜브들을 탈이온수로 세 번 헹구고 깨끗한 질소 스트림으로 건조하였다.
CuO 나노구조의 제작: NaClO2, NaOH, Na3PO4·12H2O, 및 탈이온수(3.75:5:10:100 wt%)로 구성된 뜨거운(90 ± 3°C) 알칼리 용액에 튜브를 담금으로써, 세정된 구리 샘플 상에 나노구조화된 산화구리(CuO) 표면 돌출부가 형성되었다. 산화 과정은 얇은(
Figure pct00140
300 nm) Cu2O 층의 형성으로 이어졌고, 이것은 재산화되어 날카로운 칼 모양의 CuO 돌출부(
Figure pct00141
Figure pct00142
1 μm, 고체 분율
Figure pct00143
Figure pct00144
0.023, 거칠기 인자
Figure pct00145
Figure pct00146
10)를 형성하였다.
실란 침착(Silane Deposition): 나노구조화 CuO 및 매끄러운 Cu 튜브들은, 플루오르화 실란(헵타데카플루오로데실트리메톡시실란, HTMS로 약칭됨, Sigma-Aldrich)의 대기압 화학 기상 증착을 사용하여 작용화되었다. 샘플 튜브들을, 직경 24인치, 높이 36인치인, 외부가 테이프 히터로 감싸진 배럴 내부에 배치하여 일정한 온도를 유지하였다. 튜브 샘플들과 함께, 10 mL의 HTMS-톨루엔 용액(5 vol%)을 배럴 내부의 작은 유리 바이알에 넣었다. 배럴을 뚜껑으로 밀봉하고 대기압에서 80 ℃로 가열하였다. 배럴은 단열재로 덮여 있었고 증기가 새는 것을 방지하기 위해 적절하게 밀봉되었다. 튜브 샘플들은 배럴의 벽에 기대어 수직으로 배향되었으며, 배럴 내에 3시간 동안 그대로 두어, 매끄럽고 구조화된 표면 상에 실란 분자들의 단일 층을 추가하였다.
윤활제 함침 표면: 작용화된 나노구조화 CuO 튜브 샘플들을 딥 코팅하여(dip coated) 그 표면에 선택된 윤활제를 주입하였다. 튜브 샘플들을, 위에서 설명한 PVC 트로프를 사용하여, 10분 동안 윤활제에 담그었다. 그 다음 튜브 샘플들을 제거하고, 주위 조건에서 24시간 동안 수직 위치에 두어, 과잉 윤활제의 중력 배출을 가능하게 하였다. 그 다음, LIS 샘플 튜브들을 깨끗한 질소 스트림에서 건조한 후 시험하였다.
SEM 및 FIB(집속 이온빔) 이미징을 사용하여, 제작된 튜브 표면 모폴로지를 연구하기 위해, 그리고 마이크로고니오미터(microgoniometer)를 사용하여 접촉각을 측정하기 위해, 위에서 설명한 것과 동일한 절차를 사용하여, 평평한 작은 샘플들(1" x 1")을 추가적으로 제작하였다.
열전달 계산
총괄 열전달 계수(
Figure pct00147
): 총괄 응축 열전달 속도는, 하기 수학식 1과 같이, 튜브 샘플의 내부를 흐르는 냉각수에 대한 에너지 균형을 사용하여 계산되었다:
Figure pct00148
(1)
여기서,
Figure pct00149
는 총괄 응축 열전달 속도이고,
Figure pct00150
은 냉각수 질량 유량이고,
Figure pct00151
는 액체 비열이며,
Figure pct00152
및
Figure pct00153
은 각각 출구 온도 및 입구 온도이다. 총괄 열전달 속도(
Figure pct00154
)는, 다음과 같이, 총괄 열전달 계수
Figure pct00155
와 균형을 이루었다:
Figure pct00156
(2)
여기서,
Figure pct00157
는 튜브 외부 표면적(
Figure pct00158
, 여기서
Figure pct00159
= 6.35 mm,
Figure pct00160
= 76.2 cm)이고,
Figure pct00161
는 다음과 같이 정의되는 로그 평균 온도차이다:
Figure pct00162
(3)
여기서,
Figure pct00163
는 챔버 내부의 주위 포화 증기(surrounding saturation vapor)의 온도이다(
Figure pct00164
). 그에 따라, 실험적으로 얻은 파라미터들 만의 함수인 총괄 열전달 계수는, 다음과 같이, 계산될 수 있다:
Figure pct00165
(4)
응축 열전달 계수(
Figure pct00166
): 계산된
Figure pct00167
는 증기로부터 냉각수로의 총괄 열전달 성능의 척도이다. 이는, 내벽 및 외벽 상에서의 대류 저항, 및 구리 벽을 통한 전도 저항을 포함한다. 증기로부터 튜브 외부 표면까지 측정된 응축 열전달 계수
Figure pct00168
를 정량화하기 위해, 외벽 상에서의 열 저항을 분리하기 위한 추가 계산이 수행되었다.
Figure pct00169
를 추출하기 위해, 열전도도를 사용하여 전도 저항을 계산하였고, 내부 열전달 계수를 추산하여 내부 저항을 계산하였다. 수측 열전달 계수(water-side heat transfer coefficient)(
Figure pct00170
)는, 냉매 흐름 조건과 관련이 있고 약 6%의 정확도를 갖는 페튜코프(Petukhov) 상관 관계(하기 수학식 5 내지 7에 표시됨)에 의해 추산되었다:
Figure pct00171
(5)
Figure pct00172
(6)
Figure pct00173
(7)
위의 수학식에서,
Figure pct00174
는 파이프 마찰계수(pipe friction factor),
Figure pct00175
는 냉각수 레이놀즈 수,
Figure pct00176
는 냉각수 프란틀 수(cooling water Prandtl number),
Figure pct00177
는 냉각수 밀도,
Figure pct00178
는 냉각수 열전도도,
Figure pct00179
및
Figure pct00180
는 각각 벌크 온도 및 튜브 벽 온도에서의 냉각수 동적 점도들이다.
Figure pct00181
를 알면, 모든 관련 열 저항들(튜브 벽을 통한 내부 대류 및 방사상 전도)을 합하여,
Figure pct00182
에 대한 닫힌 형태 해(closed form solution)를 얻을 수 있다:
Figure pct00183
(8)
여기서,
Figure pct00184
는 튜브 외부 표면적(
Figure pct00185
)이고,
Figure pct00186
는 내부 튜브 표면적(
Figure pct00187
)이고,
Figure pct00188
은 튜브 샘플의 길이이며,
Figure pct00189
는 벽의 열전도도(
Figure pct00190
= 401 W/m·K)이다.
튜브 표면 온도(
Figure pct00191
): 튜브 표면 외부 온도
Figure pct00192
는 각각의 시험 조건에 대한 과포화도(supersaturation)를 계산하는데 사용되었다. 외벽 온도는, 하기 수학식 9와 같이, 총 열전달 속도(total heat transfer rate) 및 전도 저항 및 수측 대류 열 저항(conductive and water-side convective thermal resistances)을 사용하여 계산되었다:
Figure pct00193
(9)
여기서,
Figure pct00194
이다. 수학식 9를 재배열하면, 튜브 표면 온도는 다음과 같이 계산될 수 있다:
Figure pct00195
(10)
마지막으로, 튜브 샘플 표면 온도에 해당하는 포화 압력에 대한 증기압의 비율로 정의되는 과포화도
Figure pct00196
는 다음과 같이 주어진다:
Figure pct00197
(11)
필름방식 응축 모델(Filmwise Condensation Model): 튜브 샘플 상에서의 스팀, 에탄올, 및 헥산의 필름방식 응축을 모델링하기 위해, 다음과 같이 주어진 고전적인 누셀트(Nusselt) 모델이 사용되었다:
Figure pct00198
(12)
Figure pct00199
(13)
여기서,
Figure pct00200
는 중력 가속도(
Figure pct00201
= 9.81 m/s2)이고,
Figure pct00202
는 증기 밀도이고,
Figure pct00203
는 응축물 액체 밀도이고,
Figure pct00204
는 응축물 액체 동적 점도이고,
Figure pct00205
는 응축물의 비열 변화를 설명하는 수정된 기화 잠열(modified latent heat of vaporization)이며,
Figure pct00206
은 응축물 액체 비열이다.
오차 분석: 총괄 열전달 계수의 불확도(uncertainty)
Figure pct00207
는, 수학식 14에 나타난 바와 같이, 측정된 각각의 변수(표 3)의 기기 불확도를 전파시킴으로써, 계산되었다:
Figure pct00208
(14)
응축 열전달 계수
Figure pct00209
는 거듭제곱의 곱(product of powers)이므로, 오차는 그것의 성분들에 대한
Figure pct00210
의 1차 편도함수의 함수로서 결정된다:
Figure pct00211
(15)
Figure pct00212
(16)
Figure pct00213
(17)
여기서,
Figure pct00214
는 튜브의 열 저항이고 다음과 같이 주어진다:
Figure pct00215
(18)
표 3. 실험 측정에 상응하는 불확도
실험 측정 불확도
냉각수 온도 (
Figure pct00216
)		 0.15°C + 0.12%
포화 증기압 (
Figure pct00217
)		 1%
포화 증기 온도 (
Figure pct00218
)		 Tsat(1.01(P v))-Tsat(P v)
냉각수 질량 유량 (
Figure pct00219
)		 1%
샘플 표면적 (
Figure pct00220
)		 2%
페튜코프 상관 열전달 계수(Petukhov correlation heat transfer coefficient) (
Figure pct00221
)		 6%
본 발명이 특정 구현예들를 참조하여 상당히 상세하게 설명되었지만, 본 발명을 벗어나지 않은 채 다른 구현들이 가능하다. 따라서, 첨부된 청구범위의 사상 및 범위는, 본 명세서에 포함된 바람직한 구현예들의 설명으로 제한되어서는 안 된다. 문언 상으로 또는 그 균등범위에 의해 청구범위의 의미 내에 들어오는 모든 구현예들이, 청구범위 안에 포괄되도록 의도된다.
또한, 위에서 설명된 이점들이 반드시 본 발명의 유일한 이점들은 아니며, 설명된 이점들 모두가 본 발명의 모든 구현예들의 각각에 의해 달성될 것으로 반드시 예상되는 것은 아니다.

Claims (32)

  1. 윤활제 함침 표면(lubricant-impregnated surface)을 포함하는 열 및 물질 전달 부품(heat and mass transfer component)으로서,
    상기 윤활제 함침 표면은:
    나노구조화 표면 돌출부들(nanostructured surface protrusions)을 포함하는 소수성 표면 특징부들(hydrophobic surface features)로서, 상기 나노구조화 표면 돌출부들은 상기 나노구조화 표면 돌출부들에 부착된 소수성 종(hydrophobic species)을 갖는, 소수성 표면 특징부들; 및
    상기 소수성 표면 특징부들을 함침시키는 약 400 mPa·s 내지 약 6000 mPa·s 범위의 점도를 갖는 플루오르화 윤활제;를 포함하는,
    열 및 물질 전달 부품.
  2. 제 1 항에 있어서, 열교환기의 일부 또는 전부인 열 및 물질 전달 부품.
  3. 제 1 항에 있어서, 증류 컬럼의 일부 또는 전부인 열 및 물질 전달 부품.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 약 15 mN/m 내지 약 30 mN/m 범위의 표면 장력을 갖는 작동 유체가 상기 윤활제 함침 표면과 접촉할 때, 상기 작동 유체의 적하 응축(dropwise condensation)이 발생하여, 상기 열 및 물질 전달 부품으로부터의 열전달을 촉진하는, 열 및 물질 전달 부품.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 적하 응축은 적어도 약 1000시간의 기간 동안 지속되고, 그에 따라, 상기 윤활제 함침 표면은 장기 내구성을 나타내는, 열 및 물질 전달 부품.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 용해된, 현탁된, 동반된, 결정화된 및/또는 침전된 고체를 포함하는 작동 유체가 상기 윤활제 함침 표면과 접촉할 때, 상기 윤활제 함침 표면 상에서의 고체 침착(deposition of solids)이 억제되고, 그에 따라, 상기 열 및 물질 전달 부품은 파울링(fouling) 저항성을 갖는, 열 및 물질 전달 부품.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 고체 침착은 적어도 약 1000시간 동안 억제되고, 그에 따라, 상기 윤활제 함침 표면은 장기간 내구성을 나타내는, 열 및 물질 전달 부품.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열전도성 기재는 Cu, Al, Fe, 및 Ti로 이루어진 군으로부터 선택된 금속을 포함하고, 상기 나노구조화 표면 돌출부들은 산화구리, 산화알루미늄, 산화철, 및 이산화티타늄으로 이루어진 군으로부터 선택된 산화된 금속을 포함하는, 열 및 물질 전달 부품.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 나노구조화 표면 돌출부들은 약 5 내지 50 범위의 거칠기 인자(roughness factor) r을 나타내는, 열 및 물질 전달 부품.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 나노구조화 표면 돌출부들은 약 300 nm 내지 약 3 마이크론 범위의 높이를 갖는, 열 및 물질 전달 부품.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 나노구조화 표면 돌출부들은 블레이드형 형상(blade-like shape)을 포함하는, 열 및 물질 전달 부품.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 나노구조화 표면 돌출부들은 크기, 형상, 및/또는 위치가 불규칙한, 열 및 물질 전달 부품.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 소수성 종은 실란을 포함하는, 열 및 물질 전달 부품.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 실란은 메틸-실란, 선형 알킬-실란, 분지형 알킬-실란, 방향족 실란, 플루오르화 알킬-실란, 및 디알킬-실란으로 이루어진 군으로부터 선택되는, 열 및 물질 전달 부품.
  15. 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 플루오르화 윤활제는 퍼플루오로폴리에테르(PFPE) 오일을 포함하는, 열 및 물질 전달 부품.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 플루오르화 윤활제는 KrytoxTM- VPF 1525, KrytoxTM- VPF 16256, 및 Fomblin®- Y25/6으로 이루어진 군으로부터 선택되는, 열 및 물질 전달 부품.
  17. 제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 플루오르화 윤활제는:
    약 1800 kg/m3 내지 약 2000 kg/m3 범위의 액체 밀도 ρ;
    약 10 mN/m 내지 약 30 mN/m 범위의 낮은 표면 장력; 및
    약 1 x 10-7 kPa 이하의 증기압 Pvap;를 포함하는,
    열 및 물질 전달 부품.
  18. 제 1 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항의 열 및 물질 전달 부품을 사용하는 방법으로서, 상기 방법은:
    상기 윤활제 함침 표면을 약 15 mN/m 내지 약 30 mN/m 범위의 표면 장력을 갖는 작동 유체에 노출시키는 단계; 및
    상기 노출 동안, 상기 윤활제 함침 표면 상에서 상기 작동 유체의 적하 응축을 얻는 단계;를 포함하고,
    상기 적하 응축으로 인해, 상기 열 및 물질 전달 부품은 적어도 약 6 kW/m2K의 정상 상태 응축 열전달 계수(steady state condensation heat transfer coefficient)를 나타내는,
    방법.
  19. 제 18 항에 있어서, 상기 정상 상태 응축 열전달계수는 적어도 약 9 kW/m2K인, 방법.
  20. 제 18 항 또는 제 19 항에 있어서, 상기 작동 유체에 대한 노출은 적어도 약 10시간의 기간 동안 발생하는, 방법.
  21. 제 20 항에 있어서, 상기 기간은 수백 또는 수천 시간인, 방법.
  22. 제 18 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 작동 유체는 용해된, 현탁된, 동반된, 결정화된 및/또는 침전된 고체를 더 포함하고,
    상기 노출 동안, 상기 윤활제 함침 표면 상에서의 고체 침착이 억제되고, 그에 따라, 상기 열 및 물질 전달 부품은 파울링 저항성을 갖는,
    방법.
  23. 제 18 항 내지 제 22 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 작동 유체는 알코올 및/또는 탄화수소를 포함하는, 방법.
  24. 제 23 항에 있어서, 상기 작동 유체는 탄화수소들의 혼합물 또는 정제된 탄화수소를 포함하는, 방법.
  25. 제 23 항 또는 제 24 항에 있어서, 상기 작동 유체는 에탄올, 이소프로필 알코올, 펜탄, 헥산, 크실렌, 및 톨루엔으로 이루어진 군으로부터 선택되는, 방법.
  26. 다음 단계들을 포함하는, 열 및 물질 전달 부품 상의 윤활제 함침 표면의 제조 방법:
    열전도성 기재를 세정하여 세정된 기재를 형성하는 단계;
    상기 세정된 기재를 뜨거운 물 또는 뜨거운 알칼리 용액에 노출시켜, 나노구조화 표면 돌출부들을 갖는 열전도성 기재를 형성하는 단계;
    상기 나노구조화 표면 돌출부들 상에 소수성 종을 침착시켜, 소수성 표면 특징부들을 형성하는 단계; 및
    상기 소수성 표면 특징부들을, 400 mPa·s 내지 6000 mPa·s 범위의 점도를 갖는 플루오르화 윤활제로 코팅하여, 열 및 물질 전달 부품 상에 윤활제 함침 표면을 형성하는 단계.
  27. 제 26 항에 있어서, 상기 세정은: 상기 열전도성 기재를, 아세톤, 알코올, 탈이온수 중 하나 이상에 침지한 후, 탈이온수로 헹구는 단계;를 포함하는, 제조 방법.
  28. 제 26 항 또는 제 27 항에 있어서, 상기 세정 후에, 상기 열전도성 기재를 산 용액에 노출시키는 단계를 더 포함하는 제조 방법.
  29. 제 26 항 내지 제 28 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 뜨거운 물 또는 상기 뜨거운 알칼리 용액은 약 85 ℃ 내지 약 95 ℃ 범위의 온도에 있는, 제조 방법.
  30. 제 26 항 내지 제 29 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 소수성 종을 침착시키는 단계는 실란의 대기압 화학 기상 증착을 포함하는, 제조 방법.
  31. 제 26 항 내지 제 30 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 플루오르화 윤활제로 코팅하는 것은 침지 코팅(dip coating)을 포함하는, 제조 방법.
  32. 제 26 항 내지 제 31 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 소수성 표면 특징부들을 플루오르화 윤활제로 코팅한 후, 상기 소수성 표면 특징부들로부터 과량의 플루오르화 윤활제를 배출시킨 다음, 가스 스트림에서 건조하는 단계를 더 포함하는 제조 방법.
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