WO2011010728A1 - 液体流動抵抗抑制表面構造および基材表面の液体流動抵抗抑制方法 - Google Patents

液体流動抵抗抑制表面構造および基材表面の液体流動抵抗抑制方法 Download PDF

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liquid
liquid flow
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suppressing
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酒井宗寿
中島章
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財団法人神奈川科学技術アカデミー
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    • Y02T70/10—Measures concerning design or construction of watercraft hulls

Definitions

  • the present invention relates to a structure for suppressing flow resistance generated with respect to a flowing liquid and a method for suppressing flow resistance between a substrate surface and the liquid.
  • Non-Patent Document 2 Examples of manufacturing such a concavo-convex structure are described in, for example, Patent Documents 1 to 4 and Non-Patent Document 1. Further, as described in Non-Patent Document 2, a super-water-repellent surface having a concavo-convex structure on the surface expresses a low energy state of the solid surface by biting air, and the flow resistance between the liquid and the solid surface It is known that the force can be reduced by about 10%.
  • Non-Patent Document 3 Fujishima et al. Discovered the photolysis reaction of water, which is the basis of the titanium dioxide photocatalytic reaction, in the 1970s. Thereafter, as described in Non-Patent Document 4, a super-hydrophilic phenomenon in which the water contact angle becomes 0 degree was discovered, and a technology capable of industrial development in applications such as self-cleaning of the article surface was established ( For example, Patent Document 5).
  • the problem of the present invention is to provide a liquid flow resistance suppressing surface structure and a liquid flow resistance suppressing method for a substrate surface in which physical / environmental durability that can be used in industry is ensured. It is to provide.
  • the liquid flow resistance suppressing surface structure according to the present invention is characterized in that a superhydrophilic material is disposed on the surface of a substrate in contact with a flowing liquid.
  • the super-hydrophilic property refers to the property that the affinity for water is higher than that of normal hydrophilicity.
  • the contact angle of a water droplet (on a solid surface arranged horizontally in the atmosphere) The contact angle when a water droplet is brought into contact with the liquid crystal is less than 10 degrees. In particular, the contact angle is preferably less than 5 degrees.
  • the base material surface is formed on the liquid contact surface of a hull or a swimsuit, the base material surface moves in the liquid, so the relative flow state between the base material surface and the liquid If the is formed, the liquid side may be stationary.
  • the flow resistance between the substrate surface and the liquid is suppressed by immersing the substrate surface in the liquid. That is, it is preferable that the liquid flow resistance is suppressed in a state where the substrate surface is immersed in the liquid and the substrate surface and the liquid are always in contact with each other.
  • the liquid flow resistance suppressing surface structure it is possible to suppress the flow resistance between the liquid and the substrate surface by 30% or more based on a glass surface having a surface roughness of less than 100 nm. is there.
  • the surface of the base material is disposed on the inner surface of a cylindrical tube having a diameter of 10 mm that is installed horizontally, and water with a water pressure of 3700 to 3900 Pa and a water temperature of 20 ° C.
  • the flow of water is generated at a flow rate such that the Reynolds number is 5800 to 6200, compared with the pressure loss of water in a cylindrical tube having a glass substrate surface on the inner surface with a surface roughness of less than 100 nm,
  • the pressure loss of water can be reduced by 30% or more.
  • the liquid flow resistance of the glass surface having a surface roughness of less than 100 nm was relatively small.
  • the liquid flow resistance suppression effect is 30% or more than this. Achievable. As described above, the effect of suppressing the liquid flow resistance according to the present invention is enormous.
  • the flow resistance between the liquid and the substrate surface is suppressed by 30% or more on the basis of the polyethylene terephthalate substrate surface having a surface roughness of less than 1000 nm. It is possible.
  • the surface of the base material is disposed on the inner surface of a horizontally installed cylindrical tube having a cross-sectional diameter of 10 mm, and water with a gauge pressure of 3700 to 3900 Pa and a water temperature of 20 ° C. can be fed in a full tube.
  • the flow resistance between the liquid that flows in a turbulent state and the substrate surface is the surface of the polyethylene terephthalate substrate surface having a surface roughness of less than 1000 nm. It is possible to suppress 5% or more with reference to.
  • the surface of the base material is disposed on the inner surface of a horizontally installed cylindrical tube having a cross-sectional diameter of 10 mm, and water with a gauge pressure of 3700 to 3900 Pa and a water temperature of 20 ° C. can be fed in a full tube.
  • the pressure of water in a cylindrical tube having a PET surface with a surface roughness of less than 1000 nm on the inner surface Compared with the loss, the pressure loss of water can be reduced by 5% or more.
  • the surface roughness of the substrate surface is preferably 100 nm or less. By setting the surface roughness of the substrate surface to 100 nm or less, the liquid flow resistance suppressing effect of the present invention becomes more reliable.
  • the superhydrophilic material is preferably made of a photocatalyst. Due to the antifouling action of the photocatalyst, there is an advantage that the liquid flow resistance suppressing function on the surface of the base material is unlikely to deteriorate even after a long period of use.
  • the photocatalyst include titanium dioxide photocatalyst, which has physical and environmental durability, and has many applications in various industries.
  • the photocatalyst is disposed on the outermost layer of the substrate surface immersed in the liquid, so that superhydrophilicity is expressed on the substrate surface by irradiation of electromagnetic waves such as ultraviolet light, It is possible to provide a surface structure capable of suppressing the flow resistance of the liquid.
  • the photocatalyst is made of a visible light responsive photocatalyst.
  • a visible light responsive photocatalyst By employing a visible light responsive photocatalyst, a light source necessary for exciting the photocatalyst can be prepared more easily.
  • a translucent body or a light guide body is disposed on the inner side of the substrate surface than the photocatalyst.
  • the surface of the base material is more reliably transmitted. Therefore, the photocatalyst can be excited efficiently.
  • the light emitter include an organic EL light emitter and an inorganic EL light emitter. Further, by providing an external light source separately from the light emitter, excitation of the photocatalyst can be further promoted.
  • the super-hydrophilic material is preferably made of a semiconductor material that generates surface charges when irradiated with electromagnetic waves.
  • a semiconductor material that generates surface charges when irradiated with electromagnetic waves.
  • the hydrogen bond term becomes the dispersion force term and the It is preferable that the value is larger than any of the polar terms.
  • the reason why the superhydrophilic solid surface suppresses the liquid flow resistance is not clear, but it seems that the size of the hydrogen bond at the interface between the liquid and the substrate surface probably has an influence. And it turned out that the liquid flow resistance suppression surface structure of this invention functions suitably with respect to the liquid in which the contribution of a hydrogen bond is dominant in the surface energy in the interface with a base-material surface.
  • a typical example of such a liquid is water.
  • the liquid flow resistance suppressing surface structure according to the present invention is formed on the liquid contact surface of an infusion tube or an infusion groove, so that the liquid on the liquid contact surface of an infusion tube such as a water distribution tube or an infusion groove such as a drainage groove It is possible to suppress flow resistance.
  • an infusion tube such as a water distribution tube or an infusion groove such as a drainage groove
  • the present invention to the water distribution pipes of various facilities, it becomes possible to dramatically reduce pressure loss compared to the conventional case, and it is possible to reduce facility operating costs by reducing power consumption of the liquid feed pump. .
  • the liquid flowing through the pipe receives a large pressure loss from the liquid contact surface of the pipe, it is necessary to increase the discharge capacity of the liquid feed pump and the pressure resistance of the pipe, which tends to increase the equipment cost.
  • the pipe length is large, such as a cooling water circulation line pipe in a cooling plant of a thermal power / nuclear power plant, the influence becomes serious.
  • the liquid flow resistance suppressing surface structure according to the present invention is formed on the liquid contact surface of the hull or the hull, so that the liquid flow resistance between the river and the sea is suppressed and the propulsion energy of the ship or the like is reduced. Can be planned.
  • the liquid flow resistance suppressing surface structure of the present invention on the liquid contact surface of a swimsuit, swimming equipment, or diving equipment, it is possible to generate a faster speed with less physical strength consumption.
  • the liquid flow resistance suppression method of a base material surface uses the above-mentioned liquid flow resistance suppression surface structure, and the flow which arises between a base material surface and the liquid which touches this base material surface It consists of the method characterized by suppressing resistance.
  • the photocatalyst is irradiated with electromagnetic waves such as light in advance to develop superhydrophilicity on the surface of the substrate, and the superhydrophilicity is maintained.
  • the liquid flow resistance between the liquid and the substrate surface can be suppressed by immersing in the flowing liquid.
  • the flow resistance between the substrate surface and the liquid can be effectively suppressed.
  • a superhydrophilic material made of a photocatalyst or the like is disposed so as to cover an area of 90% or more of the substrate surface immersed in the previous liquid. It is preferable to do.
  • the photocatalyst or the like is arranged so as to cover an area of 90% or more of the wetted part under the waterline of the hull, so that the photocatalyst or the like is arranged. Regardless of the material of the area portion of less than 10% that is not covered with, it is possible to sufficiently suppress the liquid flow resistance.
  • liquid flow resistance suppressing surface structure and the liquid flow resistance suppressing method for a substrate surface according to the present invention a substrate surface with sufficient physical and environmental durability secured, and a substrate while contacting the substrate surface. It is possible to easily and effectively suppress the liquid flow resistance between the liquid flowing relative to the material surface.
  • a superhydrophilic surface using a photocatalyst has sufficient durability in the industry because of its physical durability and antifouling properties.
  • the present invention is expected to be applied to a wide range of areas such as “swimming swimsuits, ship stays, liquid feeding plants, piping plants, etc.” where it is desired to reduce water resistance.
  • the present invention reduces the viscous resistance of water at the solid-liquid interface using the superhydrophilic function of a titanium dioxide photocatalyst or the like. In addition, it is expected to increase energy exchange efficiency by reducing viscous resistance and contribute widely to solving energy problems in Japan.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram showing a relationship between a contact angle of a droplet (a contact angle when a water droplet is brought into contact with a solid surface horizontally disposed in the atmosphere) and a fluid resistance.
  • a contact angle of a droplet a contact angle when a water droplet is brought into contact with a solid surface horizontally disposed in the atmosphere
  • a fluid resistance a contact angle when a water droplet is brought into contact with a solid surface horizontally disposed in the atmosphere
  • FIG. 2 is a diagram showing examples of measurement results of contact angles on various surfaces.
  • FIG. 2 by putting water into a cylindrical tube having various surfaces (superhydrophilic surface, glass surface, acrylic surface, superhydrophobic surface) on the inner surface, the contact angle of meniscus on various surfaces (vertically in the atmosphere)
  • a contact angle formed by contact between the water surface and the inner wall surface of the circular pipe is measured. Because it is affected by gravity that works vertically downward, the contact angle of the meniscus is compared to the contact angle of a typical water droplet (the contact angle when a water droplet contacts a solid surface horizontally arranged in the atmosphere).
  • FIG. 3 shows a liquid flow resistance suppressing surface structure according to an embodiment of the present invention, and is a schematic cross-sectional view showing a laminated structure of a substrate surface.
  • a superhydrophilic material layer made of a photocatalyst such as titanium dioxide is disposed on the outermost layer on the surface of the base material.
  • the photocatalyst disposed on the liquid contact surface with a liquid (for example, water) that forms a hydrogen bond with the substrate surface is irradiated with light from a light source or the like.
  • the installation method of the light source or the like is not particularly limited, but it is desirable that the presence of the light source does not cause a pressure loss in the water flow. Therefore, in FIG. 3, a light emitter layer made of an organic and / or inorganic EL light emitter that excites the photocatalyst is disposed immediately below the superhydrophilic material layer provided with a photocatalyst such as titanium dioxide. In addition, the light emitting layer may be disposed not on the superhydrophilic material layer but on the inner side of the substrate surface with respect to the superhydrophilic material layer via another layer.
  • a light source may be disposed on the opposite side from the liquid through the substrate surface. In this case, it is preferable to realize a state in which a sufficient amount of light for exciting the photocatalyst such as titanium dioxide is supplied.
  • FIG. 4 is a schematic diagram showing an apparatus for measuring liquid flow resistance.
  • Example 1 In order to investigate the effect of suppressing liquid flow resistance according to the present invention, the inner wall of the glass tube was surface-modified to form a superhydrophilic surface. At this time, by applying DIPP coating on the inner wall of the glass tube with “Rear Side Mirror Water Eraser” made by TOTO that contains titanium dioxide photocatalyst, the titanium dioxide photocatalyst as a superhydrophilic material is placed on the substrate surface. It was. In order to excite the titanium dioxide photocatalyst to develop super hydrophilicity, black light was irradiated for 24 h or more from the outer surface side of the glass tube. And even during the measurement experiment of the liquid flow resistance, the black light irradiation was continued from the outer surface side of the glass tube so as to keep the super hydrophilicity.
  • Comparative Example 1 As a comparative object of the present invention, a glass tube and an acrylic tube having a surface roughness of less than 100 nm whose inner wall was not surface-modified were prepared. In addition, in order to investigate the liquid flow resistance in the tube having the inner wall of the super water-repellent surface, the surface of the base material is super water-repellent by DIPP coating the glass tube with “Siv Clear” made by Carmate. Was placed.
  • FIG. 5 is a graph showing measurement results (Example 1) of liquid flow resistance of various tubes.
  • Example 1 As a result of measuring the pressure loss received by the liquid flowing inside the above four types of tubes under the above experimental conditions, a pressure loss of approximately 200 Pa is measured in the acrylic tube and the glass tube, and the super-water-repellent surface is formed on the inner wall surface. A pressure loss of 190 Pa was measured in the formed glass tube, whereas a pressure loss of 120 Pa was formed in the glass tube in which the superhydrophilic surface was formed on the inner wall surface.
  • the pressure loss of about 40% was suppressed as compared with the tube of the comparative example. That is, in Example 1, it can be said that the liquid flow resistance was suppressed by about 40% with reference to a glass tube having a surface roughness of less than 100 nm.
  • Example 2 The liquid flow resistance of the superhydrophilic glass tube was measured by changing the flow rate of the liquid fixed at 0.6 m / s in Example 1. Further, in this embodiment, in addition to the superhydrophilic glass tube (no mesh) similar to that in Example 1, in order to forcibly generate a turbulent flow state, a superhydrophilic glass tube having a mesh disposed in the tube. (With net) was also prepared. As in Example 1, in order to excite the titanium dioxide photocatalyst to develop super hydrophilicity, black light was irradiated for 24 h or more from the outer surface side of the glass tube. And even during the measurement experiment of the liquid flow resistance, the black light irradiation was continued from the outer surface side of the glass tube so as to keep the super hydrophilicity.
  • Comparative Example 2 As comparative objects of the present invention, a glass tube having a surface roughness of less than 100 nm, a PET tube having a surface roughness of less than 1000 nm, and a super water-repellent glass tube similar to Comparative Example 1 whose inner walls were not surface-modified were prepared. As for the glass tube and the super water-repellent glass tube, a turbulent state was forcibly generated by arranging a net in the tube.
  • FIG. 6 is a graph showing measurement results (Example 2) of liquid flow resistance of various tubes.
  • a super hydrophilic glass tube (without mesh)
  • the pressure loss was suppressed by 30% or more than the PET tube.
  • Example 2 it can be said that the liquid flow resistance is suppressed by 30% or more based on a PET tube having a surface roughness of less than 1000 nm, and the liquid flow resistance is suppressed by 5% or more even under a forced turbulent state.
  • Example 3 The liquid flow resistance of the superhydrophilic glass tube was measured by changing the liquid flow rate in the same manner as in Example 2.
  • the difference between the measured value of pressure loss and the theoretical value of pressure loss calculated from the turbulence model used in FIG. 6 was investigated.
  • Comparative Example 2 As comparative objects of the present invention, a glass tube having a surface roughness of less than 100 nm, a polypropylene (PP) tube having a surface roughness of less than 1000 nm, and a super water-repellent glass tube similar to Comparative Example 1 were prepared. .
  • PP polypropylene
  • FIG. 7 is a graph showing measurement results (Example 3) of liquid flow resistance of various tubes.
  • the pressure loss received by the liquid flowing inside the four types of tubes was measured, and the ratio to the theoretical value by the turbulent flow model was obtained.
  • the pressure loss of the superhydrophilic glass tube showed a very small value of 0.5 or less of the theoretical value.
  • the superhydrophilic glass tube exhibits an excellent liquid flow resistance suppressing effect that is difficult to explain by conventional theory.
  • Example 4 The effect of UV irradiation on the liquid flow resistance of a circular tube coated with a TiO 2 photocatalyst on the inner wall was measured by comparing the pressure loss before and after UV irradiation.
  • FIG. 8 shows a schematic configuration diagram of the liquid flow resistance measuring device used in the comparative test.
  • Water in the glass tube 2 extending in communication from the side surface of the water tank 1 is introduced into the water tank in which the pump 5 is installed via the flow rate adjusting valve 3 and the electromagnetic flow meter 4, and is returned to the water tank 1 by the pump 5. .
  • a Pitot tube 6 is disposed inside the glass tube 2, and the differential pressure between the internal pressure of the Pitot tube 6 and the internal pressure of the glass tube 2 is measured by a micro differential pressure gauge 7. The pressure loss is measured.
  • the section from the vicinity of the side surface (A) of the aquarium 1 to the end (B) of the pitot tube 6 is set as a run-up section (AB), and the section from the position B to a position (C) downstream by a predetermined distance. Set to the measurement section (BC). Further, UV lamps 8 for irradiating the portions of the glass tube 2 corresponding to the run-up section (AB) and the measurement section (BC) are arranged.
  • the liquid flow resistance reduction rate before and after UV irradiation increased as the flow rate increased. From FIG. 10, it can be seen that the effect of reducing the liquid flow resistance is exhibited by the light-induced superhydrophilicity accompanying UV irradiation in the vicinity of Reynolds number of 2000 to 6000.
  • a circular tube having an inner wall coated with the TiO 2 photocatalyst used in this example was prepared by the following method.
  • Si alkoxide was DIPP coated on the inner wall of a glass tube (tube diameter: 10 mm), and then fired under the conditions of 460 ° C. and 90 min to prepare an underlayer.
  • TiPP was coated with Ti alkoxide and fired under the conditions of 450 ° C. and 90 min to produce a circular tube in which the TiO 2 photocatalyst was disposed on the inner wall surface.
  • the arithmetic average surface roughness of the surface of the TiO 2 photocatalyst prepared by this method was 1.1 mm (Ra).
  • FIG. 11 shows a schematic configuration diagram of the liquid flow state visualization apparatus.
  • Water in the glass tube 2 extending in communication from the side surface of the water tank 1 is introduced into the water tank in which the pump 5 is installed via the flow control valve 3 and the electromagnetic flow meter 4, and is returned to the water tank 1 by the pump 5. .
  • a UV lamp is installed around the glass tube 2, but the illustration is omitted for easy viewing of the drawing.
  • fluorescent particles are supplied from the particle supply port 13 via the syringe 12, and the fluorescent particles are introduced into the glass tube 2 together with the water flow from the water tank 1 into the glass tube 2. Is done.
  • a measuring point 14 near the end of the glass tube 2 opposite to the water tank 1 is irradiated with laser light 16 through an optical lens 15, and fluorescent particles dispersed in water in the glass tube 2 are excited.
  • the excited fluorescent particles are photographed from the side surface of the glass tube 2 through the color glass filter 17 by the high-speed camera 18, and the liquid flow state is obtained as an image 19 visualized.
  • the velocity distribution in the flow direction shows a Hagen Poisail-like velocity distribution in the flow direction after UV irradiation, but the change in velocity in the flow direction with respect to the height direction is extremely significant before UV irradiation. There is a part that becomes larger, and the maximum velocity in the flow direction becomes relatively larger.
  • the velocity component in the vertical direction is negligible after UV irradiation, but the velocity component in the vertical direction is relatively large before UV irradiation.
  • the velocity component which means the formation of vortices, was captured. That is, it is presumed that the effect of suppressing the liquid flow resistance in the present invention is achieved by suppressing the transition to turbulent flow due to light-induced hydrophilicity.
  • the liquid flow resistance suppressing surface structure and the substrate surface liquid flow resistance suppressing method according to the present invention can reduce the viscous resistance generated in the presence of a solid-liquid interface when there is a flow of water in contact with the solid surface. .

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Abstract

　流動する液体に接する基材表面に超親水性材料が配置されていることを特徴とする液体流動抵抗抑制表面構造。また、このような液体流動抵抗抑制表面構造を用いて、基材表面と該基材表面に接する液体との間で生じる流動抵抗を抑制することを特徴とする基材表面の液体流動抵抗抑制方法。産業界において利用可能な程度の物理的・環境的耐久性が確保された液体流動抵抗抑制表面構造および基材表面の液体流動抵抗抑制方法を提供することができる。

Description

液体流動抵抗抑制表面構造および基材表面の液体流動抵抗抑制方法
　本発明は、流動する液体に対して生じる流動抵抗を抑制するための構造および、基材表面と液体との間の流動抵抗を抑制する方法に関する。
　固体表面に接する水の流れが存在する場合、固液界面の存在で発生する流動抵抗をいかに軽減させるかが、多くの産業分野で重要な課題として挙げられる。この流動抵抗の存在で、エネルギー交換効率は、経験的にほぼ６０％が上限とされていた。流動抵抗の概念の起源は１９世紀にあり、Hagen（ドイツの水道技師による水道管の設計）とPoiseuille（フランスの医師による血流に関連した細管中の水流の研究）らによる「円管内の流量が管の半径の４乗と圧力勾配に比例し、粘性に逆比例すること」に始まる。その後、DarcyとWeisbachらにより、「摩擦損失による圧力勾配は流れの運動エネルギーに比例する（Darcy-Weisbachの式）」とされた。
　最近のナノテクノロジーの発達により、界面処理による流動抵抗の抑制方法が検討されてきている。従来の界面科学の概念では、図１の破線で示した「従来の考え方」の特性曲線に記載されるように、撥水性を強調するほど「流動抵抗」を抑制するとされてきた。すなわち、接触角が大きいほど、表面エネルギーは小さくなり、よって、固体表面の付着力が小さくなるということである。加えて、低エネルギー表面に適当な凹凸構造を持たせることにより、接触角が１５０度以上もの極めて高い撥水性、すなわち超撥水性を備える表面が得られることが知られるようになり、多くの、凹凸構造の作製方法が確立されてきている。
　そのような凹凸構造の作製事例は、例えば、特許文献１～４や非特許文献１に記載されている。また、非特許文献２に記載されるように、表面に凹凸構造を持つような超撥水性表面は、空気を噛み込むことにより固体表面の低エネルギー状態を発現し、液体と固体表面の流動抵抗力を１０％程度低下可能であることが知られている。
　一方、非特許文献３に記載されるように、藤嶋らは、二酸化チタン光触媒反応の基礎となる水の光分解反応を１９７０年代に発見した。その後、非特許文献４に記載されるように、水接触角が０度になる超親水性現象が発見され、物品表面のセルフクリーニング等の用途において産業的展開が可能な技術が確立された（例えば、特許文献５）。
特開平０６－０２５４４９号公報 特開平０８－００３４７９号公報 特開２００１－１５２１３８号公報 特開２００８－００６７８４号公報 特開平１１－０２１５１１号公報
Miwa, M., Nakajima, A., Fujishima, A., Hashimoto, K. and Watanabe, T., Langmuir, Vol 16, p. 5754-5760 (2000) 撥水技術の最前線　高機能化と広がる技術,東レリサーチセンター, 289 (2007) A. Fujishima, K. Honda, Nature (1972) Fujishima, A., Zhang, X. and Tryk, A., D., Surface Science Reports, 63, 515-582 (2008)
　超撥水性表面を用いることにより、液体と固体表面の流動抵抗力を１０％程度低下させることは可能であるが、実際には、超撥水性表面における表面微細構造の物理的耐久性や、多くの場合撥水処理を施すコート剤に有機物（シランカップリング剤等）を用いることによる、水や紫外線等の環境に対する環境的耐久性の問題から、この用途での産業界での利用はほとんど実現していない。従って、物理的・環境的耐久性が確保された界面処理方法を用いて、流動抵抗を低下させる方法が求められてきた。
　そこで本発明の課題は、このような現状に鑑み、産業界において利用可能な程度の物理的・環境的耐久性が確保された液体流動抵抗抑制表面構造および基材表面の液体流動抵抗抑制方法を提供することにある。
　上記課題を解決するために、本発明に係る液体流動抵抗抑制表面構造は、流動する液体に接する基材表面に超親水性材料が配置されていることを特徴とするものからなる。ここで、超親水性とは、水に対する親和性が、通常の親水性よりもさらに高い性質をいい、具体的には、水液滴の接触角（大気中で水平に配置された固体表面上に水滴を接触させた際の接触角）が１０度未満であることをいう。とくに、上記接触角が５度未満であることが好ましい。このような超親水性が発現されることにより、液体流動抵抗を飛躍的に低減することが可能となる。なお、上記液体に、配水管内部等を流動する液体が含まれることは言うまでもないが、基材表面に対して相対的に流動しているものであれば、上記液体から除外されるものではない。したがって、たとえば基材表面が船体や水着の接液面に形成されているような場合には、基材表面が液体中を移動するので、基材表面と液体との間に相対的な流動状態が形成されていれば、液体側は静止していてもよい。
　本発明に係る液体流動抵抗抑制表面構造において、前記基材表面が前記液体中に浸漬されることにより、前記基材表面と前記液体との間の流動抵抗が抑制されることが好ましい。すなわち、基材表面が液体中に浸漬されて、基材表面と液体とが常に接触した状態において、液体流動抵抗が抑制されるようにすることが好適である。
　本発明に係る液体流動抵抗抑制表面構造によれば、前記液体と前記基材表面との間の流動抵抗を、表面粗さが１００ｎｍ未満のガラス表面を基準として３０％以上抑制することが可能である。具体的には、基材表面が、水平に設置された直径１０ｍｍの円筒管内面に配置され、ゲージ圧が３７００～３９００Ｐａの水圧を有する水温２０℃の水を満管で送液できる状態で、レイノルズ数が５８００～６２００となるような流速で水の流れを発生させた際に、表面粗さが１００ｎｍ未満のガラスの基材表面を内面に有する円筒管の水の圧力損失と比較して、水の圧力損失を３０％以上低下させることができる。従来の常識では、表面粗さが１００ｎｍ未満のガラス表面の液体流動抵抗は比較的小さいものと考えられていたが、本発明によれば、これよりもさらに３０％以上の液体流動抵抗抑制効果が達成可能である。このように、本発明による液体流動抵抗の抑制効果は絶大なものである。
　本発明に係る液体流動抵抗抑制表面構造によれば、前記液体と前記基材表面との間の流動抵抗を、表面粗さが１０００ｎｍ未満のポリエチレンテレフタレートの基材表面を基準として３０％以上抑制することが可能である。具体的には、基材表面が、水平に設置された断面径１０ｍｍの円筒管内面に配置され、ゲージ圧が３７００～３９００Ｐａの水圧を有する水温２０℃の水を満管で送液できる状態で、レイノルズ数が５８００～６２００となるような流速で水の流れを発生させた際に、表面粗さが１０００ｎｍ未満のポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）表面を内面に有する円筒管の水の圧力損失と比較して、水の圧力損失を３０％以上低下させることができる。従来の常識では、表面粗さが１００ｎｍ未満のガラス表面の液体流動抵抗は比較的小さいものと考えられていたが、本発明によれば、これよりもさらに大きな液体流動抵抗抑制効果が達成可能である。このように、本発明による液体流動抵抗の抑制効果は絶大なものである。
　また、本発明に係る液体流動抵抗抑制表面構造によれば、乱流状態で流動する前記液体と前記基材表面との間の流動抵抗を、表面粗さが１０００ｎｍ未満のポリエチレンテレフタレートの基材表面を基準として５％以上抑制することが可能である。具体的には、基材表面が、水平に設置された断面径１０ｍｍの円筒管内面に配置され、ゲージ圧が３７００～３９００Ｐａの水圧を有する水温２０℃の水を満管で送液できる状態で、レイノルズ数が５８００～６２００となるような流速で、強制的に乱流状態の水の流れを発生させた際に、表面粗さが１０００ｎｍ未満のＰＥＴ表面を内面に有する円筒管の水の圧力損失と比較して、水の圧力損失を５％以上低下させることができる。
　本発明に係る液体流動抵抗抑制表面構造において、前記基材表面の表面粗さが１００ｎｍ以下であることが好ましい。基材表面の表面粗さを１００ｎｍ以下に設定することにより、本発明の液体流動抵抗抑制効果は、より確実なものとなる。
　本発明に係る液体流動抵抗抑制表面構造において、前記超親水性材料が光触媒からなることが好ましい。光触媒の防汚作用により、長期間の使用を経ても、基材表面の液体流動抵抗抑制機能が低下しにくいというメリットがある。前記光触媒の例としては、物理的・環境的耐久性が確保されており、各種産業に多くの応用例が存在している二酸化チタン光触媒などが挙げられる。本発明によれば、このように、液体中に浸漬される基材表面の最表層に光触媒が配置されることにより、紫外光等の電磁波の照射によって基材表面に超親水性が発現され、液体の流動抵抗を抑制可能な表面構造を提供することが可能となる。
　また、前記光触媒が可視光応答型光触媒からなるようにすることが好ましい。可視光応答型光触媒の採用により、光触媒を励起させるために必要な光源をより簡便に用意することができる。
　本発明に係る液体流動抵抗抑制表面構造において、前記光触媒よりも前記基材表面の内部側に透光体または導光体が配置されていることが好ましい。基材表面の内部側、すなわち前記光触媒からみて接液面と反対側に透光体または導光体が配置されることにより、基材表面の接液面に光等の電磁波を照射しやすくなるので、液体流動抵抗を抑制しながら、基材表面における超親水性の発現状態を維持することが可能となる。また、前記光触媒よりも基材表面の内部側に発光体が配置されていることが好ましい。基材表面の内部側、すなわち前記光触媒からみて接液面と反対側に発光体を埋設するなどして、光源を基材と一体化することにより、光等の電磁波がより確実に基材表面に照射されるので、光触媒を効率的に励起することが可能となる。前記発光体の具体例としては、有機ＥＬ発光体または無機ＥＬ発光体などが挙げられる。また、上記発光体とは別に、外部光源を設けることにより、さらに光触媒の励起を促進させることも可能である。
　前記超親水性材料が、電磁波が照射されることによって表面電荷を発生させる半導体材料からなることが好ましい。このような半導体材料を用い、マイクロ波等の電磁波を照射して基材表面に表面電荷を発生させることにより、基材表面に超親水性を発現させることが可能となる。このような半導体材料は、上述の光触媒と併用することも可能である。
　本発明において、前記液体が、前記基材表面との界面における表面エネルギーを少なくとも分散力項、極性項および水素結合項の和として記述した場合に、前記水素結合項が、前記分散力項および前記極性項のいずれよりも大きい値を示すものであることが好ましい。本発明において、超親水性固体表面が液体流動抵抗を抑制している理由は定かではないが、おそらく液体と基材表面との界面における水素結合の大きさが影響しているものと思われる。そして、基材表面との界面における表面エネルギーの中で水素結合の寄与が優勢である液体に対して、本発明の液体流動抵抗抑制表面構造は好適に機能することがわかった。このような液体のうち代表的なものは、水である。
　本発明に係る液体流動抵抗抑制表面構造は、輸液管または輸液溝の接液面に形成されることによって、配水管のような輸液管や、排水溝のような輸液溝の接液面における液体流動抵抗を抑制することが可能である。例えば、各種設備の配水管に本発明を適用することにより、圧力損失を従来よりも飛躍的に低減させることが可能となり、送液ポンプの消費電力削減による設備運転コストの低減を図ることができる。また、配管を流れる液体が、配管の接液面から大きな圧力損失を受ける場合には、送液ポンプの吐出能力や配管の耐圧性を高める必要が生じ、これが設備コストの高騰につながりやすい。とくに、火力・原子力発電所の冷却プラントにおける冷却水循環ライン配管のように、配管長さが大きい場合には、その影響は重大なものとなる。
　本発明に係る液体流動抵抗抑制表面構造は、船体または艦体の接液面に形成されることによって、河川や海等との間の液体流動抵抗が抑制され、船舶等の推進エネルギーの削減を図ることができる。また、本発明の液体流動抵抗抑制表面構造を、水着、水泳具または潜水具の接液面に形成することにより、より小さな体力消費によって、より速いスピードを発生させることが可能となる。
　また、上記課題を解決するために、基材表面の液体流動抵抗抑制方法は、上述の液体流動抵抗抑制表面構造を用いて、基材表面と該基材表面に接する液体との間で生じる流動抵抗を抑制することを特徴とする方法からなる。例えば、超親水性材料として光触媒が用いられる場合には、予め光触媒に光等の電磁波を照射して、基材表面に超親水性を発現させておき、その超親水性が維持された状態で、流動する液体中に浸漬することによって、液体と基材表面との間の液体流動抵抗を抑制することが可能である。このように、上記液体流動抵抗抑制表面構造を適切に利用することで、基材表面と液体との間の流動抵抗を効果的に抑制することが可能となる。
　例えば、本発明に係る基材表面の液体流動抵抗抑制方法において、光触媒等からなる超親水性材料を、前液体中に浸漬される基材表面のうち９０％以上の面積部分を覆うように配置することが好ましい。例えば、基材が船体の一部を形成するような場合には、光触媒等が、船体の喫水線下の接液部分のうち９０％以上の面積部分を覆うように配置されることにより、光触媒等に覆われていない１０％未満の面積部分の材質の如何によらず、十分な液体流動抵抗の抑制が可能となる。
　本発明に係る液体流動抵抗抑制表面構造および基材表面の液体流動抵抗抑制方法によれば、十分な物理的・環境的耐久性が確保された基材表面と、該基材表面に接しながら基材表面に対して相対的に流動する液体との間の液体流動抵抗を簡便かつ効果的に抑制することが可能である。
　とくに、光触媒を用いた超親水性表面は、物理的耐久性・防汚性を有することから、産業上十分な耐久性を有している。本発明は、水の抵抗を低下させることが望まれる“競泳水着・船泊・送液プラント・配管プラント等”の広範囲な領域に、その応用が期待される。例えば、配管等の内壁に設置した場合、粘性抵抗を約４０％低下（乱流領域にて計測したレイノルズ数＝６０００）させることを可能にした。これは、光触媒の有する機能の一つである超親水性に対して、従来知られているセルフクリーニング作用に加え、液体流動抵抗の抑制という新しい利用法が提供可能となったことを意味する。
　固体表面に接する水の流れが存在する場合、固液界面の存在で発生する粘性抵抗をいかに軽減させるかが、多くの産業分野で重要な課題として挙げられている。この粘性抵抗の存在で、エネルギー交換効率は、経験的にほぼ６０％が上限とされていた。本発明は、二酸化チタン光触媒等が有する超親水性機能を用いて、固液界面における水の粘性抵抗を低下させるものである。加えて、粘性抵抗の低減によりエネルギー交換効率を引き上げ、我が国のエネルギー問題の解決に広く貢献することが期待される。
液滴の接触角と流体抵抗の関係を示す概念図である。 各種表面におけるメニスカスの接触角の測定結果例を示す図である。 本発明の一実施態様に係る液体流動抵抗抑制表面構造を示す概略断面図である。 液体流動抵抗を計測する装置を示す模式図である。 液体流動抵抗の計測結果（実施例１）を示すグラフである。 液体流動抵抗の計測結果（実施例２）を示すグラフである。 液体流動抵抗の計測結果（実施例３）を示すグラフである。 液体流動抵抗計測装置の概略構成図である。 液体流動抵抗の計測結果（実施例４）を示すグラフである。 液体流動抵抗の低減率を示すグラフである。 液体流動状態可視化装置の概略構成図である。 ＵＶ照射前後の流れ方向の速度を示すグラフである。 ＵＶ照射前後の流れ方向と垂直な方向の速度を示すグラフである。 三態法により接触角を計測する方法の説明図である。 ＵＶ照射状態における接触角の計測結果を示すグラフである。 暗所保持状態における接触角の計測結果を示すグラフである。
　以下に、本発明の望ましい実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
　図１は、液滴の接触角（大気中で水平に配置された固体表面上に水滴を接触させた際の接触角）と流体抵抗の関係を示す概念図である。この概念図には、従来の考え方と本発明の考え方の２つの概念が記載されている。すなわち、従来の考え方によれば、接触角が小さくなるにつれて、すなわち撥水性よりも親水性が強調されるにつれて、流体抵抗は増加するものと考えられていた。しかしながら、発明者らの鋭意研究によれば、実際には、水液滴の接触角１０度未満の超親水性領域においては、接触角が小さくなると、流体抵抗が急激に低減されることがわかった。本発明は、このような新しい知見に基づいて完成されたものである。
　図２は、各種表面における接触角の測定結果例を示す図である。図２においては、各種表面（超親水性表面、ガラス表面、アクリル表面、超撥水性表面）を内面に有する円筒管に水を入れることによって、各種表面におけるメニスカスの接触角（大気中で鉛直に立てて配置された有底円管内に水を入れた際に、水面と円管の内壁面とが接触してできる接触角）が測定されている。鉛直下向きに働く重力の影響を受けるため、メニスカスの接触角は一般的な水液滴の接触角（大気中で水平に配置された固体表面上に水滴を接触させた際の接触角）に比べ大きい値を示すが、円管内面にコートされた材料の親水性を容易に測定できるという利点があるため、親水性の度合いを相対的に比較する指標としては有用である。このように、表面の材質や測定方法によって、接触角は大きく異なるものである。
　図３は、本発明の一実施態様に係る液体流動抵抗抑制表面構造を示しており、基材表面の積層構造を表す概略断面図である。基材表面の最表層には、二酸化チタン等の光触媒からなる超親水性材料層が配置されており、これに光等の電磁波が供給されることで、基材表面が超親水性を呈する。従って、基材表面との間に水素結合を形成する液体（例えば、水）との接液面に配置された光触媒には、光源等から光が照射されるようにすることが好ましい。その光源等の設置方法は特に制限はないが、光源の存在が水の流れに圧力損失をもたらさないようにすることが望ましい。そこで、図３においては、二酸化チタン等の光触媒を設置した超親水性材料層の直下に、光触媒を励起させる有機及び／又は無機ＥＬ発光体からなる発光体層が配置されている。なお、発光体層は、超親水性材料層の直下ではなく、他の層を介して超親水性材料層よりも基材表面の内部側に配置されていてもよい。また、液体と接する固体表面が、透明ガラス等の光を通す素材からなる場合には、液体から基材表面を介した反対側に光源が配置されていてもよい。この場合には、二酸化チタン等の光触媒を励起させる光量が十分に供給される状態が実現されることが好ましい。
　以下、液体流動抵抗の計測実験を例示して、本発明をより具体的に説明する。これらの実施例は、単に例示であって本発明を制限するものではない。
　液体と基材表面との間の流動抵抗は、計測対象となる基材表面が内面に形成された管内部を流動する液体の圧力損失として把握することができる。そこで、各種基材表面を内面の有する液体流動抵抗計測用の管（内径１０ｍｍ、長さ２ｍ）を用いて、液体流動抵抗の計測実験を行った。図４は、液体流動抵抗を計測する装置を示す模式図である。
〔実施例１〕
　本発明による液体流動抵抗の抑制効果を調査するため、ガラス管の内壁を表面改質して、超親水性表面を形成した。この際、二酸化チタン光触媒を含有するＴＯＴＯ社製の「リヤ・サイド・ミラー水滴消し」をガラス管の内壁にＤＩＰＰコートすることによって、基材表面に超親水性材料としての二酸化チタン光触媒を配置させた。この二酸化チタン光触媒を励起させて超親水性を発現させるために、ガラス管の外面側からブラックライトを２４ｈ以上照射した。そして、液体流動抵抗の計測実験中も、超親水性を保持し続けるように、ガラス管の外面側からブラックライトの照射を続けた。
〔比較例１〕
　本発明の比較対象として、内壁が表面改質されていない表面粗さ１００ｎｍ未満のガラス管およびアクリル管を用意した。また、超撥水性表面の内壁を有する管における液体流動抵抗を調査するため、カーメイト社製「Ｓｉｖ（シヴ）クリア」をガラス製の管にＤＩＰＰコートすることによって、基材表面に超撥水性材料を配置させた。
　上記４種類の管を用いて圧力損失を計測した実験の条件は、以下の通りである。
〔実験条件１〕
　液体の種類：水（動粘性；１．０×１０－６ｍ２／ｓ、密度；１０００ｋｇ／ｍ３）
　液体の温度：２０℃
　液体の流速：０．６ｍ／ｓ
　管の内径　：１０ｍｍ
　管の長さ　：２ｍ
　圧力測定点：液体流入部（管の一端）、およびその下流３６ｃｍの管内
　図５は、各種の管の液体流動抵抗の計測結果（実施例１）を示すグラフである。上記実験条件の下で上記４種類の管の内部を流動する液体が受ける圧力損失を計測した結果、アクリル管およびガラス管では、ほぼ２００Ｐａの圧力損失が計測され、内壁面に超撥水性表面が形成されたガラス管では１９０Ｐａの圧力損失が計測されたのに対して、内壁面に超親水性表面が形成されたガラス管では１２０Ｐａの圧力損失が形成された。このように、液体に接する基材表面に超親水性材料が配置された本実施例の管では、比較例の管と比較して約４０％の圧力損失が抑制された。すなわち、実施例１においては、表面粗さが１００ｎｍ未満のガラス管を基準として、液体流動抵抗が約４０％抑制されたといえる。
〔実施例２〕
　実施例１で０．６ｍ／ｓに固定されていた液体の流速を変化させて、超親水性ガラス管の液体流動抵抗を測定した。また、本実施例においては、実施例１と同様の超親水性ガラス管（網なし）のほかに、強制的に乱流状態を発生させるために、管内に網を配置した超親水性ガラス管（網あり）も用意した。実施例１と同様、二酸化チタン光触媒を励起させて超親水性を発現させるために、ガラス管の外面側からブラックライトを２４ｈ以上照射した。そして、液体流動抵抗の計測実験中も、超親水性を保持し続けるように、ガラス管の外面側からブラックライトの照射を続けた。
〔比較例２〕
　本発明の比較対象として、内壁が表面改質されていない表面粗さ１００ｎｍ未満のガラス管、表面粗さ１０００ｎｍ未満のＰＥＴ管および比較例１と同様の超撥水性ガラス管を用意した。ガラス管および超撥水性ガラス管については、管内に網を配置することによって、強制的に乱流状態を発生させた。
　上記５種類の管を用いて圧力損失を計測した実験の条件は、以下の通りである。
〔実験条件２〕
　液体の種類：水（動粘性；１．０×１０－６ｍ２／ｓ、密度；１０００ｋｇ／ｍ３）
　液体の温度：２０℃
　液体の流速：０．３～０．６ｍ／ｓ
　管の内径　：１０ｍｍ
　管の長さ　：２ｍ
　圧力測定点：液体流入部（管の一端）の下流６０ｃｍおよび１５０ｃｍの管内
　図６は、各種の管の液体流動抵抗の計測結果（実施例２）を示すグラフである。上記実験条件の下で上記５種類の管の内部を流動する液体が受ける圧力損失を計測した結果、流速０．６ｍ／ｓ（レイノルズ数＝６０００前後）において、超親水性ガラス管（網なし）の圧力損失はＰＥＴ管よりも３０％以上抑制された。また、強制的に乱流状態を発生させた超親水性ガラス管（網あり）の圧力損失は、流速０．６ｍ／ｓ（レイノルズ数＝６０００前後）において、ＰＥＴ管よりも５％以上抑制された。すなわち、実施例２においては、表面粗さが１０００ｎｍ未満のＰＥＴ管を基準として、液体流動抵抗が３０％以上抑制され、強制的乱流状態下でも液体流動抵抗が５％以上抑制されたといえる。なお、図６中で、「層流での圧力損失」と記された曲線は、ポアズイユ流れの抵抗係数λ＝64/Reを用いた層流モデルによる理論曲線であり、「乱流での圧力損失」と記された曲線は、ブラジウス(Blasius)の実験公式（λ＝0.3164/Re1/4）を用いた乱流モデルによる理論曲線である。これら理論曲線における圧力損失の値は、上記圧力測定点間（区間長９０ｃｍ）において、層流モデルおよび乱流モデルをそれぞれ適用することにより計算した。
〔実施例３〕
　実施例２と同様に液体の流速を変化させて、超親水性ガラス管の液体流動抵抗を測定した。本実施例においては、圧力損失の実測値と、図６で用いた乱流モデルから計算された圧力損失の理論値とのずれを調査した。
〔比較例２〕
　本発明の比較対象として、内壁が表面改質されていない表面粗さ１００ｎｍ未満のガラス管、表面粗さ１０００ｎｍ未満のポリプロピレン（ＰＰ）管および比較例１と同様の超撥水性ガラス管を用意した。
　上記４種類の管を用いて圧力損失を計測した実験の条件は、以下の通りである。
〔実験条件３〕
　液体の種類：水（動粘性；１．０×１０－６ｍ２／ｓ、密度；１０００ｋｇ／ｍ３）
　液体の温度：２０℃
　液体の流速：０．３～０．６ｍ／ｓ
　管の内径　：１０ｍｍ
　管の長さ　：２ｍ
　圧力測定点：液体流入部（管の一端）の下流６０ｃｍおよび１５０ｃｍの管内
　図７は、各種の管の液体流動抵抗の計測結果（実施例３）を示すグラフである。上記実験条件の下で上記４種類の管の内部を流動する液体が受ける圧力損失を計測し、乱流モデルによる理論値との比率を求めた。その結果、流速０．３～０．４ｍ／ｓ（レイノルズ数＝３０００～４０００程度）において、超親水性ガラス管の圧力損失が、理論値の０．５以下という非常に小さな値を示した。このように、超親水性ガラス管は、従来理論では説明が困難であるほど優れた液体流動抵抗の抑制効果を発揮することがわかった。
〔実施例４〕
　ＴｉＯ２光触媒を内壁にコートした円管の液体流動抵抗のＵＶ照射の効果を、ＵＶ照射前後の圧力損失を計測し比較した。比較試験に用いた液体流動抵抗計測装置の概略構成図を図８に示す。
　水槽１の側面から連通して延びるガラス管２内の水は、流量調節弁３および電磁流量計４を経由して、ポンプ５が設置された水槽に導入され、ポンプ５により水槽１に戻される。ガラス管２の内部にはピトー管６が配置されており、ピトー管６の内部圧力とガラス管２の内部圧力との間の差圧を微差圧計７で測定することにより、ガラス管２内部の圧力損失が測定される。水槽１の側面近傍（Ａ）からピトー管６の端部（Ｂ）までの区間は助走区間（Ａ－Ｂ）に設定され、Ｂの位置から所定距離だけ下流の位置（Ｃ）までの区間が測定区間（Ｂ－Ｃ）に設定される。また、助走区間（Ａ－Ｂ）および測定区間（Ｂ－Ｃ）のそれぞれに対応するガラス管２の部分をＵＶ照射するためのＵＶランプ８が配置されている。
　図９に液体流動抵抗の計測結果を示すように、ＵＶ照射前は、流速の上昇に従って、測定区間の圧力損失が層流モデルの計算値から徐々に乖離した。しかしながら、ＵＶ照射後は、流速が増加しても層流モデルの計算値とほぼ一致した。
　さらに図１０に示すように、流速が大きくなるにつれてＵＶ照射前後での液体流動抵抗の低減率は増加した。図１０からは、レイノルズ数２０００ ～６０００付近においてＵＶ照射に伴う光誘起超親水性によって液体流動抵抗の低減効果が発現していることがうかがえる。
　本実施例の実験条件は、以下の通りである。
〔実験条件４〕
液体の種類：水（動粘性；１．０×１０－６ｍ２／ｓ、密度； １０００ｋｇ／ｍ３）
液体の温度：２０℃
液体の流速：０．２ ～０．６ｍ／ｓ 
管の内径：１０ｍｍ
管の長さ：２ｍ
測定区間：０．９～１．８ｍの区間
ＵＶの照射強度：上方０．６ｍＷ／ｃｍ２、側方１．４ｍＷ／ｃｍ２
　本実施例で用いたＴｉＯ２光触媒を内壁にコートした円管は、以下の方法により作成した。
〔光触媒コート円管の作製方法〕
　Siアルコキシドをガラス管（管径１０ｍｍ）の内壁にDIPPコート後、460℃・90 minの条件で焼成し、下地層を作製した。さらに、TiアルコキシドをDIPPコートし、450℃・90 minの条件で焼成することで、内壁の表面にＴｉＯ２光触媒が配置された円管を作製した。この方法で作製したＴｉＯ２光触媒表面の算術平均表面粗さは１．１ｍｍ（Ｒａ）であった。
〔液体流動状態の可視化実験〕
　円管内の液体流動状態を可視化して、ＵＶ照射前後の変化を、粒子画像流速測定法を用いて捉えた。液体流動状態可視化装置の概略構成図を図１１に示す。
　水槽１の側面から連通して延びるガラス管２内の水は、流量調節弁３および電磁流量計４を経由して、ポンプ５が設置された水槽に導入され、ポンプ５により水槽１に戻される。図８の場合と同様にガラス管２の周囲にはＵＶランプが設置されているが、図の見やすさのために図示は省略する。ガラス管２の水槽１側の端部近傍には、シリンジ１２を介して蛍光粒子が粒子供給口１３から供給され、水槽１からガラス管２内に向かう水流とともに蛍光粒子がガラス管２内に導入される。ガラス管２の水槽１と反対側の端部近傍の測定点１４には、光学レンズ１５を介してレーザー光１６が照射され、ガラス管２内で水に分散した蛍光粒子が励起される。この励起された蛍光粒子をガラス管２の側面からカラーガラスフィルター１７越しに高速度カメラ１８で撮影することにより、液体流動状態が可視化された映像１９として取得される。
　また、図１２に流れ方向の速度分布を示すように、ＵＶ照射後は流れ方向にハーゲンポアジィーユ的な速度分布を示すが、ＵＶ照射前は高さ方向に対する流れ方向の速度変化が極端に大きくなる部分が存在し、流れ方向の最大速度も相対的に大きくなる。加えて、図１３に流れに対して垂直方向の速度分布を示すように、ＵＶ照射後は垂直方向の速度成分がごくわずかであるが、ＵＶ照射前は垂直方向の速度成分が相対的に大きく、渦の形成を意味する速度成分が捉えられた。つまり、本発明における液体流動抵抗の抑制効果は、光誘起親水性により乱流への遷移が抑制されることによって達成されるものと推測される。
　本実験の実験条件は、以下の通りである。
〔実験条件５〕
測定点（画像を取得した位置）：１．８ｍ
液体の流速： ０．５ｍ／ｓ
粒子サイズ：８μｍ
粒子濃度：０．００２５Ｍａｓｓ％
〔超親水保持性の評価実験〕
　評価サンプルには、Tiアルコキシドをパイレックス（登録商標）ガラスにDIPPコートし、焼成したものを用いた（500℃、1時間）。水中での超親水保持性は、図１４に示される三態法を用いて接触角を計測することで評価した。また、比較のために、大気中で水平に配置された評価サンプル表面上に水滴を接触させた際の接触角を計測した。図１５のＵＶ照射状態における計測結果によれば、十分にＵＶ照射した場合、水中か大気中かにかかわらず評価サンプルは速やかに超親水化される。また、図１６の暗所保持状態における計測結果によれば、ＵＶ照射により超親水化された評価サンプルを暗所に保持した場合、大気中では速やかに疎水化するが、水中では１４０時間以上にわたって超親水性を保持することがわかる。以上の評価実験の結果から、ＴｉＯ２光触媒を水と常時接触させることにより、ＵＶ流動抵抗の低減効果を長期にわたって保持することが可能である。
　本発明に係る液体流動抵抗抑制表面構造および基材表面の液体流動抵抗抑制方法は、固体表面に接する水の流れが存在する場合、固液界面の存在で発生する粘性抵抗を軽減させることができる。固液界面における水の流動抵抗を低下させ、エネルギー交換効率を引き上げることにより、我が国のエネルギー問題に広く貢献することが可能となる。
１、１１　水槽
２　ガラス管
３　流量調節弁
４　流量計
５　ポンプ
６　ピトー管
７　微差圧計
８　ＵＶランプ
１２　シリンジ
１３　粒子供給口
１４　測定点
１５　レンズ
１６　レーザー光
１７　ガラスフィルター
１８　カメラ
１９　映像
２１　液体流動抵抗計測装置
２２　液体流動状態可視化装置
 

Claims (19)

  1. 　流動する液体に接する基材表面に超親水性材料が配置されていることを特徴とする液体流動抵抗抑制表面構造。
  2. 　前記超親水性材料には、水液滴の接触角として５度未満の超親水性が発現されている、請求項１に記載の液体流動抵抗抑制表面構造。
  3. 　前記基材表面が前記液体中に浸漬されることにより、前記基材表面と前記液体との間の流動抵抗が抑制される、請求項１または２に記載の液体流動抵抗抑制表面構造。
  4. 　前記液体と前記基材表面との間の流動抵抗が、表面粗さが１００ｎｍ未満のガラスの基材表面を基準として３０％以上抑制される、請求項１～３のいずれかに記載の液体流動抵抗抑制表面構造。
  5. 　前記液体と前記基材表面との間の流動抵抗が、表面粗さが１０００ｎｍ未満のポリエチレンテレフタレートの基材表面を基準として３０％以上抑制される、請求項１～４のいずれかに記載の液体流動抵抗抑制表面構造。
  6. 　乱流状態で流動する前記液体と前記基材表面との間の流動抵抗が、表面粗さが１０００ｎｍ未満のポリエチレンテレフタレートの基材表面を基準として５％以上抑制される、請求項１～５のいずれかに記載の液体流動抵抗抑制表面構造。
  7. 　前記基材表面の表面粗さが１００ｎｍ以下である、請求項１～６のいずれかに記載の液体流動抵抗抑制表面構造。
  8. 　前記超親水性材料が光触媒からなる、請求項１～７に記載の液体流動抵抗抑制表面構造。
  9. 　前記光触媒が二酸化チタン光触媒からなる、請求項８に記載の液体流動抵抗抑制表面構造。
  10. 　前記光触媒が可視光応答型光触媒からなる、請求項８または９に記載の液体流動抵抗抑制表面構造。
  11. 　前記光触媒よりも前記基材表面の内部側に透光体または導光体が配置されている、請求項８～１０のいずれかに記載の液体流動抵抗抑制表面構造。
  12. 　前記光触媒よりも前記基材表面の内部側に発光体が配置されている、請求項８～１１のいずれかに記載の液体流動抵抗抑制表面構造。
  13. 　前記発光体は、有機ＥＬ発光体または無機ＥＬ発光体からなる、請求項１２に記載の液体流動抵抗抑制表面構造。
  14. 　前記超親水性材料が、電磁波が照射されることによって表面電荷を発生させる半導体材料からなる、請求項１～１３のいずれかに記載の液体流動抵抗抑制表面構造。
  15. 　前記液体が、前記基材表面との界面における表面エネルギーを少なくとも分散力項、極性項および水素結合項の和として記述した場合に、前記水素結合項が、前記分散力項および前記極性項のいずれよりも大きい値を示す、請求項１～１４のいずれかに記載の液体流動抵抗抑制表面構造。
  16. 　輸液管または輸液溝の接液面に形成される、請求項１～１５のいずれかに記載の液体流動抵抗抑制表面構造。
  17. 　船体または艦体の接液面に形成される、請求項１～１５のいずれかに記載の液体流動抵抗抑制表面構造。
  18. 　水着、水泳具または潜水具の接液面に形成される、請求項１～１５のいずれかに記載の液体流動抵抗抑制表面構造。
  19. 　請求項１～１８のいずれかに記載の液体流動抵抗抑制表面構造を用いて、基材表面と該基材表面に接する液体との間で生じる流動抵抗を抑制することを特徴とする基材表面の液体流動抵抗抑制方法。
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