撥水性基材、撥水性基材を用いた熱交換器、および撥水性基材の製造方法
【課題】表面に発生する凝縮水に対して良好な撥水性を有する撥水性基材、撥水性基材を用いた熱交換器、および撥水性基材の製造方法を提供する。
【解決手段】基材１１０と、基材１１０の表面に設けられた疎水性皮膜１２０とを備える撥水性基材において、基材１１０の表面に、針状に延びる多数の針状突起部１１１を形成し、疎水性皮膜１２０は、針状突起部１１１の表面、および針状突起部１１１間の基材１１０表面において、針状突起部１１１よりも微細な多数の微細突起部１２１として形成されるようにする。
【解決手段】基材１１０と、基材１１０の表面に設けられた疎水性皮膜１２０とを備える撥水性基材において、基材１１０の表面に、針状に延びる多数の針状突起部１１１を形成し、疎水性皮膜１２０は、針状突起部１１１の表面、および針状突起部１１１間の基材１１０表面において、針状突起部１１１よりも微細な多数の微細突起部１２１として形成されるようにする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、低温時に基材表面から生成される凝縮水を撥水させる撥水性基材、撥水性基材を用いた熱交換器、および撥水性基材の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の超撥水性基体として、例えば特許文献１に記載されたものが知られている。特許文献１の超撥水基体は、車両用の窓ガラス等に適用されるものであって、基体の表面に微小凹凸を有する下地膜と、下地膜の微小凹凸上に形成された撥水性皮膜とを有している。撥水性皮膜は、下地膜の微小凹凸を反映した表面形状となっている。更に、撥水性皮膜の表面形状は、粒子状突起物と、この粒子状突起物よりも基板の表面から測定した高さが高い柱状突起物とから構成されている。
【０００３】
撥水性皮膜の表面における水滴の接触角をＣＡ、水滴を滴下したときに水滴が転落する臨界角度としての転落角をＴＡとしたとき、窓ガラスに適用された特許文献１では、ＣＡ≧１５０度かつＴＡ≦１５度、または１５０度＞ＣＡ≧１４５度かつＴＡ≦５度となっており、撥水性に優れ、窓ガラスの表面に水滴が残りにくいものとなっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４１９８５９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１の超撥水性基体では、上記のように窓ガラス等の上に滴下された水滴を転落させることに優れたものとなっている。これに対して、例えば基材が低温場に置かれたときに、基材に触れる空気中の水蒸気が凝縮されて基材の表面から凝縮水が発生する場合では、特許文献１の超撥水性基体では、凝縮水の良好な撥水性が得られないという問題があった。即ち、特許文献１の超撥水性基体では、粒子状突起物および柱状突起物間に形成される凹部内からも凝縮水が生成される形となり、凹部に凝縮水が溜まり、更に凹部の外側で各凹部内の凝縮水が互いに繋がり大きな水の膜となって形成されていくので、凝縮水の良好な撥水性が得られず、凝縮水を滑落させ難いものとなっていた。
【０００６】
本発明の目的は、上記問題に鑑み、表面に発生する凝縮水に対して良好な撥水性を有する撥水性基材、撥水性基材を用いた熱交換器、および撥水性基材の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は上記目的を達成するために、以下の技術的手段を採用する。
【０００８】
請求項１に記載の発明では、基材（１１０）と、
基材（１１０）の表面に設けられた疎水性皮膜（１２０）とを備える撥水性基材であって、
基材（１１０）の表面には、針状に延びる多数の針状突起部（１１１）が形成されており、
疎水性皮膜（１２０）は、針状突起部（１１１）の表面、および針状突起部（１１１）間の基材（１１０）表面において、針状突起部（１１１）よりも微細な多数の微細突起部（１２１）として形成されていることを特徴としている。
【０００９】
この発明によれば、基材（１１０）の表面に凝縮水が発生するような条件下において、凝縮水は、針状突起部（１１１）間の底部表面から凝縮水が生成されても、互いに結合して成長していく際に微細突起部（１２１）によって針状突起部（１１１）間の底部側から先端側に向けて押し出されていくので、針状突起部（１１１）間に停滞することがない。よって、従来技術のように凹部に凝縮水が溜まり、更に凹部の外側で各凹部内の凝縮水が互いに繋がり大きな水の膜となって形成されることなく、凝縮水の水滴として撥水させて滑落させていくことができる。
【００１０】
請求項２に記載の発明では、微細突起部（１２１）は、疎水性の官能基を有する単分子膜であることを特徴としている。
【００１１】
この発明によれば、多数の微細突起部（１２１）を針状突起部（１１１）の表面、および針状突起部（１１１）間の基材（１１１）表面に容易に形成することができる。
【００１２】
請求項３に記載の発明では、疎水性の官能基として、アルキル基、およびフルオロアルキル基の少なくとも一方を含むことを特徴としている。
【００１３】
この発明によれば、比較的安価に多数の微細突起部（１２１）を形成することができる。
【００１４】
請求項４に記載の発明では、基材（１１０）は、金属、あるは金属酸化物からなることを特徴としている。
【００１５】
この発明によれば、基材（１１０）が金属、あるいは金属酸化物であると、表面に水酸基を形成し易くなるので、疎水性の官能基を強固に結合させることができ、微細突起部（１２１）を確実に形成することができる。
【００１６】
請求項５に記載の発明では、熱交換部（２１０）の内部を流通する熱媒体によって、熱交換部（２１０）の外部を流通する空気から吸熱する吸熱用の熱交換器であって、
熱交換部（２１０）を形成する熱媒体流通用のチューブ（２１１）、およびチューブ（２１１）に接続されて空気に対する伝熱面を形成するフィン（２１２）の少なくとも一方が、請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載の撥水性基材（１００）によって形成されたことを特徴としている。
【００１７】
吸熱用の熱交換器（２００）においては、空気から吸熱する際に、空気温度が空気中に含まれる水蒸気の露点温度を下回ると、水蒸気は凝縮水となって熱交換部（２１０）の表面に付着する。この凝縮水の付着状態が続くと、熱交換部（２１０）を通過する空気の通気抵抗が増加し、また凝縮水による熱抵抗が上昇するため、熱交換器（２００）における熱交換性能が低下する。更には、凝縮水は、凍結温度以下となると凍結して熱交換部（２１０）の表面に霜となって付着してしまう。
【００１８】
請求項５に記載の発明によれば、吸熱時に熱交換部（２１０）の表面に凝縮水が生成されても、発生する凝縮水に対して良好な滑落効果を与えるので、凝縮水の停滞、更には着霜による熱交換器（２００）の性能低下を抑制することができる。
【００１９】
請求項６に記載の発明では、基材（１１０）の表面に疎水性皮膜（１２０）が設けられた撥水性基材の製造方法であって、
基材（１１０）の表面に、針状に延びる多数の針状突起部（１１１）を形成する突起部形成工程と、
針状突起部（１１１）の表面、および針状突起部（１１１）間の基材（１１１）表面に、針状突起部（１１１）よりも微細な多数の微細突起部（１２１）を形成することで、疎水性皮膜（１２０）を設ける製膜工程とを備えることを特徴としている。
【００２０】
この発明によれば、請求項１に記載の撥水性基材（１００）を製造するための方法として提供することができる。
【００２１】
請求項７に記載の発明では、基材（１１０）は、アルミニウム製の基材（１１０）であり、
突起部形成工程において、基材（１１０）をベーマイト処理することによって針状突起部（１１１）を形成することを特徴としている。
【００２２】
この発明によれば、ベーマイト処理におけるエッチング効果により、多数の針状突起部（１１１）を容易に形成することができる。
【００２３】
請求項８に記載の発明では、請求項７に記載の発明に対して、製膜工程において、針状突起部（１１１）を形成した基材（１１０）を、疎水性の官能基を含む水飽和溶液内に浸漬することで、微細突起部（１２１）を形成することを特徴としている。
【００２４】
この発明によれば、浸漬時において、水飽和溶液中の疎水性の官能基が、針状突起部（１１１）の表面、および針状突起部（１１１）間の基材（１１１）表面に形成される水酸基に強固に結合されるので、微細突起部（１２１）を確実に形成することができる。
【００２５】
尚、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】撥水性基材を示す断面図である。
【図２】図１中のII部を示す拡大図である。
【図３】基材の表面を示す拡大図である（倍率１０００倍）。
【図４】基材の表面（針状突起部）を示す拡大図である（倍率１０００００倍）。
【図５】熱交換器を示す斜視図である。
【図６】フィン断面と凝縮水滴径を示すモデル図である。
【図７】水滴滑落計算式を得るためのモデル図である。
【図８】滑水膜の表面エネルギを算出するためのモデル図である。
【図９】液滴直径が０．４ｍｍで滑落するように接触角を算出するためのモデル図である。
【図１０】フィン内で水滴が閉塞しないための接触角を求めるグラフである。
【図１１】熱交換器における着霜、除霜を繰り返したときの着霜時間を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下に、図面を参照しながら本発明を実施するための複数の形態を説明する。各形態において先行する形態で説明した事項に対応する部分には同一の参照符号を付して重複する説明を省略する場合がある。各形態において構成の一部のみを説明している場合は、構成の他の部分については先行して説明した他の形態を適用することができる。各実施形態で具体的に組み合わせが可能であることを明示している部分同士の組み合わせばかりではなく、特に組み合わせに支障が生じなければ、明示していなくても実施形態同士を部分的に組み合せることも可能である。
【００２８】
（第１実施形態）
第１実施形態の撥水性基材１００について、図１〜図４を用いて説明する。図１は撥水性基材１００を示す断面図、図２は図１中のII部を示す拡大図、図３は基材１１０の表面を示す拡大図（倍率１０００倍）、図４は基材１１０の表面（針状突起部１１１）を示す拡大図（倍率１０００００倍）である。撥水性基材１００は、図１に示すように、アルミニウム製板材から形成される基材１１０の表面に疎水性皮膜１２０が設けられて形成されている。
【００２９】
基材１１０は、アルミニウム、鉄、銅等の金属製、あるいは樹脂製の板部材であり、基材１１０の表面には、針状に延びる多数の針状突起部１１１が形成されている。針状突起部１１１の突起部と突起部との間の寸法を周期と定義したとき、針状突起部１１１の周期は、７００ｎｍ〜５００μｍ程度となっている。針状突起部１１１の周期は、好ましくは１μｍ〜１０μｍ程度が良い。このように針状突起部１１１は、ミクロンオーダーの突起部となっている。
【００３０】
疎水性皮膜１２０は、多数の微細突起部１２１によって形成されている。つまり、疎水性皮膜１２０は、多数の微細突起部１２１の集合体として形成されている。微細突起部１２１は、針状突起部１１１の表面および針状突起部１１１間の基材１１１の表面において、針状突起部１１１よりも更に微細に形成された多数の突起部となっている。微細突起部１２１の周期は、１ｎｍ〜５００ｎｍ程度となっている。微細突起部１２１の周期は、好ましくは１ｎｍ〜１０ｎｍ程度が良い。このように微細突起部１２１は、ナノオーダーの突起部となっている。
【００３１】
上記の撥水性基材１１０は、以下のように製造されるようになっている。
【００３２】
１．第１工程（前工程）
まず、４ｃｍ２（２ｃｍ四方）のアルミニウム製板材を基材１１０として製作する。そして、研磨によって、基材１１０の表面に、凹凸部１１２を形成する。この凹凸部１１２は、例えば、熱交換器を構成するチューブやフィンの材料段階における表面と同等の凹凸状態にするものである。
【００３３】
実際の研磨にあたっては、例えば、＃１００耐水性紙やすり（三共理化学社製 Ｆｕｊｉ Ｓｔａｒ）を使用した。表面粗さ計測器（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｉｎｓｔｕｍｅｎｔｓ社製 Ｄｅｋｔａｋ ６Ｍ）を用いて、研磨後の基材１１０の表面粗さを計測することにより、凹凸部１１２の周期（山と山との間の寸法）を測定することができる。得られた周期（輪郭曲線要素の平均長さＲＳｍ：ＪＩＳ Ｂ０６０１−２００１）は、１０μｍであることが確認された。なお、このときの凹凸部１１２の算術平均高さＲａは、０．５μｍであった。この時の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）による表面形状観察像を図３に示す。尚、図３中の（ａ）と（ｂ）は、基材１１０の表面の代表の２ヶ所における観察結果である。
【００３４】
２．第２工程（突起部形成工程）
第１工程にて凹凸部１１２の形成された基材１１０をアセトンに浸漬して表面清浄化を行い、沸騰する純水中に５分間浸漬することでベーマイト処理を行った。次に、取り出した基材１１０を冷却後、超純水を吹きかけて洗浄し、窒素ガスを吹きかけて乾燥させた。これにより、基材１１０の表面に水酸基を生成させた。また、基材１１０の表面に針状突起部１１１を形成させた。なお、沸騰水中にジエタノールアミン等のアミン類を添加してもよい。
【００３５】
上記のように基材１１０をベーマイト処理する目的は２つある。１つはベーマイト処理することにより基材１１０の表面に水酸基を形成し、続く第３工程において単分子膜形成試薬と水酸基とが反応し、強固な結合を形成させるためである。
【００３６】
ベーマイト処理の目的の２つめは、ベーマイト処理の過程で基材１１０の表面がエッチングされ、凹凸部１１２の表面に非常に微細な針状構造をなす針状突起部１１１を形成させるためである。このベーマイト処理後の基材１１０を、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察した像を図４に示す。尚、図４中の（ａ）と（ｂ）は、基材１１０の表面の代表の２ヶ所における観察結果である。このＳＥＭ像からの解析結果から粗さの解析をしたところ、針状突起部１１１が確認された。なお、このときの針状突起部１１１の算術平均高さＲａは、２０ｎｍであった。
【００３７】
３．第３工程（製膜工程）
製膜工程は、上記第１、第２工程の後に、基材１１０を疎水性皮膜の水飽和溶液中に浸漬させることで、針状突起部１１１の表面に疎水性皮膜１２０（多数の微細突起部１２１）を形成するものである。
【００３８】
具体的には、ＯＤＳ（ｏｋｕｔａｄｅｃｙｌｔｒｉｍｅｔｈｏｘｙｓｉｌａｎｅ）２５ｍＭの水飽和キシレン溶液に、第２工程にて表面をベーマイト処理した基材１１０を室温（２０℃）で２日浸積した。
【００３９】
４．第４工程（製膜処理の後処理）
第３工程にて製膜処理を行った基材１１０をアセトンにて洗浄した後、８０℃にて１時間乾燥させた。
【００４０】
以上の工程により、針状突起部１１１の表面、および針状突起部１１１間の基材１１０表面に、アルキル基を有するＣ１８Ｈ３７Ｓｉ（Ｏ−）３の単分子膜（アルキル単分子膜）からなる疎水性皮膜（撥水膜）１２０が形成された撥水性基材１００を作製した。なお、上記第４工程は省略することもできる。
【００４１】
このように構成された撥水性基材１００は、図１、図２に模式的に示す構造を有する。この撥水性基材１００においては、針状突起部１１１が上記第２工程により形成され、微細突起部１２１、即ち疎水性皮膜１２０（ＯＤＳ単分子膜）が上記第３工程により形成されたものとなっている。
【００４２】
このようにして形成した撥水性基材１００は、高い撥水性（接触角＝１６０°）を有しており、３°で配置した撥水性基材１００に凝縮水を発生させると、水滴直径１ｍｍとなったときに滑落した。
【００４３】
本実施形態では、基材１１０の表面に凝縮水が発生するような条件下において、凝縮水は、針状突起部１１１間の底部表面から凝縮水が生成されても、互いに結合して成長していく際に微細突起部１２１によって針状突起部１１１間の底部側から先端側に向けて押し出されていくので、針状突起部１１１間に停滞することがない。よって、従来技術のように凹部に凝縮水が溜まり、更に凹部の外側で各凹部内の凝縮水が互いに繋がり大きな水の膜となって形成されることなく、凝縮水の水滴として撥水させて滑落させていくことができる。
【００４４】
また、本実施形態の撥水性基材１００では、低温時において表面に霜が発生しうる条件下においても、上記のように高い滑落性能を発揮することから、撥水性基材１００表面に霜の発生が起きる時間を遅らせることができた。
【００４５】
（第２実施形態）
第２実施形態では、上記第１実施形態に対して、第３工程における製膜材料を変更して撥水性基材１００を作成した。
【００４６】
即ち、まず、第１工程、および第２工程までは、上記第１実施形態と同一の工程を経た基材１１０を準備した。そして、第３工程（製膜工程）として、ＦＡＳ１７（ｐｅｒｆｌｕｏｒｏｄｅｃｙｌｔｒｉｍｅｔｈｏｘｙｌｓｉｌａｎｅ）２５ｍＭの水飽和１、３−ビス（トリフルオロメチル）ベンゼン（Ｆ６ｘｙ）溶液に、第２工程にて表面をベーマイト処理した基材１１０を室温（２０℃）で２日浸積した。
【００４７】
上記第３工程の後、上記第１実施形態の第４工程と同様の処理を行った。以上の工程により、基材１１０の針状突起部１１１の表面に、フルオロアルキル基を有するＣ８Ｆ１７Ｃ２Ｈ４Ｓｉ（Ｏ−）３の単分子膜（フッ化アルキル単分子膜）からなる疎水性皮膜１２０（多数の微細突起部１２１）が形成された撥水性基材１００を作製した。なお，第４工程は省略することもできる。
【００４８】
このようにして作成された撥水性基材１００は，第１実施形態にて作成した撥水性基材１００と同等の撥水性を示した。
【００４９】
（第３実施形態）
第３実施形態では、第１、第２実施形態に対して、第３工程における製膜材料を変更して撥水性基材１００を作成した。
【００５０】
即ち、まず、第１工程、および第２工程までは、上記第１、第２実施形態と同一の工程を経た基材１１０を準備した。そして、第３工程（製膜工程）として、Ｃ８Ｆ１７Ｃ２Ｈ４ＮＣＯ（ｐｅｒｆｌｕｏｒｏｄｅｃｙｌｉｓｏｃｙａｎａｔｅ）０．５ｇが封入された容積２０ｍｌの密閉加圧可能な反応容器に、第２工程にて表面をベーマイト処理した基材１１０を挿入して密封し、１５０℃にて７２時間気相反応させた。
【００５１】
上記第３工程の後、上記第１、第２実施形態の第４工程と同様の処理を行った。以上の工程により、基材１１０の針状突起部１１１の表面に、フルオロアルキル基を有するＣ８Ｆ１７Ｃ２Ｈ４ＮＨＣＯＯ−の単分子膜（フッ化アルキル単分子膜）からなる疎水性皮膜１２０（多数の微細突起部１２１）が形成された撥水性基材１００を作製した。なお，第４工程は省略することもできる。
【００５２】
このようにして作成された撥水性基材は１００、第１、第２実施形態にて作成した撥水性基材１００と同等の撥水性を示した。
【００５３】
（第４実施形態）
第４実施形態では、第１〜第３実施形態に対して、第３工程における製膜材料を変更して撥水性基材１００を作成した。
【００５４】
即ち、まず、第１工程、および第２工程までは上記第１〜第３実施形態と同一の工程を経た基材１１０を準備した。そして、第３工程（製膜工程）として、Ｃ１８Ｈ３７ＮＣＯ（ｏｃｔａｄｅｃｙｌｉｓｏｃｙａｎａｔｅ）１．４ｇが封入された容積１００ｍｌの密閉加圧可能な反応容器に、第２工程にて表面をベーマイト処理した基材１１０を挿入して密封し、１５０℃にて７２時間気相反応させた。
【００５５】
上記第３工程の後、上記第１〜第３実施形態の第４工程と同様の処理を行った。以上の工程により、基材１１０の第１、第２凹凸部１１１、１１２の表面に、アルキル基を有するＣ１８Ｈ３７ＮＨＣＯＯ−の単分子膜（アルキル単分子膜）からなる疎水性皮膜１２０（多数の微細突起部１２１）が形成された撥水性基材１００を作製した。
【００５６】
このようにして作成された撥水性基材１００は、第１〜第３実施形態にて作成した撥水性基材１００と同等の撥水性を示した。
【００５７】
（第５実施形態）
第５実施形態は、上記第１〜第４実施形態にて説明した撥水性基材１００を熱交換器２００に適用したものである。
【００５８】
熱交換器２００は、吸熱用の熱交換器であって、図５に示すように、例えば車両用空調装置の冷凍サイクルにおいて空調用空気を冷却する蒸発器となっている。熱交換器２００は、熱交換部２１０と、この熱交換部２１０に接続される一対のヘッダタンク２２０とを備えている。熱交換部２１０は、複数積層される断面扁平状のチューブ２１１と、各チューブ２１１の間に介在される波形のフィン２１２とを有している。チューブ２１１は、内部を熱媒体としての冷媒が流通する管部材であり、各チューブ２１１の両先端部は、一対のヘッダタンク２１１内部にそれぞれ連通するように接続されている。また、フィン２１２は、薄肉の帯板材から波状に形成されて伝熱面を形成する伝熱部材であり、チューブ２１１に接合（接続）されている。フィン２１２の伝熱面には、図６に示すように、鎧戸状のルーバ２１２ａが複数形成されている。第５実施形態の熱交換器２００では、上記チューブ２１１とフィン２１２とが、上記第１〜第４実施形態のいずれか１つにて説明した撥水性基材１００によって形成されている。
【００５９】
熱交換器２００においては、冷凍サイクル内で減圧されて低温低圧となった冷媒が、複数のチューブ２１１内を流通し、また、チューブ２１１の外側およびフィン２１２の周り（熱交換部２１０の外側）を空調用空気が通過し、空調用空気が冷媒によって冷却されるようになっている。空調用空気が冷却される際に、空調用空気の温度が空気中に含まれる水蒸気の露点温度を下回ると、水蒸気は凝縮水となって熱交換部２１０（チューブ２１１、フィン２１２）の表面に付着する。この凝縮水の付着状態が続くと、熱交換部２１０を通過する空調空気の通気抵抗が増加し、また凝縮水による熱抵抗が上昇するため、熱交換器２００における熱交換性能が低下する。更には、凝縮水は、凍結温度以下となると凍結して熱交換部２１０の表面に霜となって付着してしまう。よって、吸熱用の熱交換器２００においては、まず、作動中に凝縮水が生成されても、生成された凝縮水を撥水作用によって速やかに滑落させることが必要とされる。以下、生成される凝縮水を速やかに滑落させるための条件を検討する。
【００６０】
まず、図６示すように、フィン２１２においては、通常、各伝熱面間の距離は、１．５ｍｍ程度に、またルーバ２１２ａのピッチは０．８ｍｍ程度に設定されている。よって、凝縮水が生成された場合でも凝縮水が隙間の狭いルーバ２１２ａの間で表面張力によって幕張り（水滴詰まり）を形成しないように、生成される凝縮水の液滴直径が０．４ｍｍ以下となるように抑えてやる必要がある。
【００６１】
ここで、水滴の滑落計算式については、以下の数式１が知られている。即ち、
（数１）
２πｒＥ＝ｍｇ・ｓｉｎα
数式１にて、図７に示すように、２πｒＥは付着力、ｍｇ・ｓｉｎαは滑落方向に沿う重力を表しており、ｒは凝縮水着滴半径（ｍ）、Ｅは滑水膜の表面エネルギ（Ｊ／ｍ２）、ｍは水滴の質量（ｋｇ）、ｇは重力加速度（ｍ／ｓ２）、αは傾斜角（度）であり、図７中のθは接触角（度）である。尚、凝縮水着滴半径ｒは、接触角θの関数として表すことができ、凝縮水着滴半径ｒ＝（水滴直径ｄ／２）・ｃｏｓ（θ−９０）である。
【００６２】
次に、上記数式１と、実験結果とをもとに表面エネルギＥを求める。例えば、実験条件として、上記第１実施形態で説明したように、水滴直径ｄを１ｍｍ、傾斜角αを３度、接触角θを１６０度、無風条件としたときに、水滴が滑落することを確認している（図８）。よって、上記の条件を数式１に代入して、実際に水滴が滑落する際の表面エネルギＥを求める。数式１より、
２・π・０．５・ｃｏｓ（１６０−９０）・Ｅ
＝４／３・π・０．５３・９．８・ｓｉｎ（３）
となり、Ｅ＝２．５×１０−４（Ｊ／ｍ２）が得られた。
【００６３】
次に、水滴直径ｄがルーバ２１２ａの隙間（０．８ｍｍ）を確実に通過可能な０．４ｍｍの場合に、滑落可能な接触角θを数式２より算出する。即ち、
（数２）
２πｒＥ＝１／２・ρ・Ｖ２・Ａ・ＣＤ
数式２にて、図９に示すように、２πｒＥは付着力、１／２・ρ・Ｖ２・Ａ・ＣＤは抗力を表しており、ｒは凝縮水着滴半径（ｍ）、Ｅは滑水膜の表面エネルギ（Ｊ／ｍ２）、ρは空気密度（ｋｇ／ｍ３）、Ｖは相対速度（ｍ／ｓ）、Ａは投影断面積（ｍ２）、ＣＤは抗力係数である。
【００６４】
数式２に、凝縮水着滴半径ｒ＝（水滴直径ｄ／２）・ｃｏｓ（θ−９０）、滑落する際の表面エネルギＥを２．５×１０−４（Ｊ／ｍ２）として、空気密度ρ＝１０００（ｋｇ／ｍ３）、相対速度Ｖ＝１ｍ／ｓ、投影断面積Ａ＝π・０．２２、抗力係数ＣＤ＝近似値、を代入して、接触角θに対する付着力と抗力とを求めると図１０が得られた。
【００６５】
凝縮水がルーバ２１２ａ間で閉塞しないためには、図１０の抗力が付着力よりも上回る接触角θの範囲であることが必要であり、その接触角θは１４８度以上であることが解った。
【００６６】
上記第１〜第４実施形態の撥水性基材１００は、接触角が１６０度のレベルで得られており、この撥水性基材１００を用いた熱交換器２００においては、チューブ２１１やフィン２１２の表面から特別な操作をすることなく、良好に凝縮水を滑落、および除去することができた。また、凝縮水の良好な滑落が得られたことから、熱交換部２１０の表面に霜が所定量まで発生する時間を遅らせることができた。
【００６７】
図１１は、熱交換器２００において着霜、除霜を繰り返したときの着霜時間を示すグラフである。（ａ）は本発明、（ｂ）は比較品を示す。比較品は、従来の親水性の皮膜を備え、本実施形態における疎水性皮膜を備えないものである。実験条件は、
・着霜運転時において、
空気側条件として
乾球温度＝２±０．３℃、湿球温度＝１±０．３℃、
前面風速＝０．８±０．０１ｍ／ｓ、
冷媒側条件として
冷媒入口温度＝−７．４±０．６℃、冷媒流量＝１０±０．５Ｌ／ＭＩＮ、
・除霜運転時において、
空気側条件として
前面風速＝０ｍ／ｓ、
冷媒側条件として
冷媒入口温度＝１３±２℃、冷媒流量＝２±０．５Ｌ／ＭＩＮ、
・試験サイクル
着霜条件で熱交換器の通風抵抗が１００Ｐａまで上昇した時点で終了し、除霜運転６分とし、
以下、繰り返すものとしとした。
【００６８】
本発明では、比較品に対して凝縮水の滑落を促進できるので、凝縮水が熱交換部２１０に停滞しにくく、よって着霜して、熱交換部２１０の通風抵抗が所定値（ここでは、１００Ｐａ）にいたるまでの時間を大きく低減できている。
【００６９】
（その他の実施形態）
以上，本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の形態をとり得ることはいうまでもない。
【００７０】
例えば，上記各実施形態においては、疎水性被膜１２０として、ＯＤＳ、ＦＡＳ１７、Ｃ８Ｆ１７Ｃ２Ｈ４ＮＣＯ、Ｃ１８Ｈ３７ＮＣＯ等を用いて単分子膜を形成したが、それら以外の試薬で単分子膜を形成しても良い。例えば、片側にフッ素のような疎水基を持ち、反対側にＯ−Ｓｉ−Ｏのような水酸基に結合し易い官能基を持った構造のものならば適用可能である。尚、疎水性被膜１２０として、アルキル基、フルオロアルキル基のような疎水性の官能基が含まれていると高い疎水性を発現させることができる。
【００７１】
また、針状突起部１１１の作成方法は，上述した各実施形態の方法に限定されず、この他にも、ナノインプリント法等を用いることができる。
【００７２】
また，上記各実施形態では基材１１０として、アルミニウム製板材を用いる構成を例示したが、アルミニウム製板材以外にも銅板や鉄板等、様々な金属を用いることができる。また、基材１１０は、金属に限定されず、例えば樹脂で形成されていても良い。
【符号の説明】
【００７３】
１００ 撥水性基材
１１０ 基材
１１１ 針状突起部
１２０ 疎水性皮膜
１２１ 微細突起部
２００ 熱交換器
２１０ 熱交換部
２１１ チューブ
２１２ フィン
【技術分野】
【０００１】
本発明は、低温時に基材表面から生成される凝縮水を撥水させる撥水性基材、撥水性基材を用いた熱交換器、および撥水性基材の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の超撥水性基体として、例えば特許文献１に記載されたものが知られている。特許文献１の超撥水基体は、車両用の窓ガラス等に適用されるものであって、基体の表面に微小凹凸を有する下地膜と、下地膜の微小凹凸上に形成された撥水性皮膜とを有している。撥水性皮膜は、下地膜の微小凹凸を反映した表面形状となっている。更に、撥水性皮膜の表面形状は、粒子状突起物と、この粒子状突起物よりも基板の表面から測定した高さが高い柱状突起物とから構成されている。
【０００３】
撥水性皮膜の表面における水滴の接触角をＣＡ、水滴を滴下したときに水滴が転落する臨界角度としての転落角をＴＡとしたとき、窓ガラスに適用された特許文献１では、ＣＡ≧１５０度かつＴＡ≦１５度、または１５０度＞ＣＡ≧１４５度かつＴＡ≦５度となっており、撥水性に優れ、窓ガラスの表面に水滴が残りにくいものとなっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４１９８５９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１の超撥水性基体では、上記のように窓ガラス等の上に滴下された水滴を転落させることに優れたものとなっている。これに対して、例えば基材が低温場に置かれたときに、基材に触れる空気中の水蒸気が凝縮されて基材の表面から凝縮水が発生する場合では、特許文献１の超撥水性基体では、凝縮水の良好な撥水性が得られないという問題があった。即ち、特許文献１の超撥水性基体では、粒子状突起物および柱状突起物間に形成される凹部内からも凝縮水が生成される形となり、凹部に凝縮水が溜まり、更に凹部の外側で各凹部内の凝縮水が互いに繋がり大きな水の膜となって形成されていくので、凝縮水の良好な撥水性が得られず、凝縮水を滑落させ難いものとなっていた。
【０００６】
本発明の目的は、上記問題に鑑み、表面に発生する凝縮水に対して良好な撥水性を有する撥水性基材、撥水性基材を用いた熱交換器、および撥水性基材の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は上記目的を達成するために、以下の技術的手段を採用する。
【０００８】
請求項１に記載の発明では、基材（１１０）と、
基材（１１０）の表面に設けられた疎水性皮膜（１２０）とを備える撥水性基材であって、
基材（１１０）の表面には、針状に延びる多数の針状突起部（１１１）が形成されており、
疎水性皮膜（１２０）は、針状突起部（１１１）の表面、および針状突起部（１１１）間の基材（１１０）表面において、針状突起部（１１１）よりも微細な多数の微細突起部（１２１）として形成されていることを特徴としている。
【０００９】
この発明によれば、基材（１１０）の表面に凝縮水が発生するような条件下において、凝縮水は、針状突起部（１１１）間の底部表面から凝縮水が生成されても、互いに結合して成長していく際に微細突起部（１２１）によって針状突起部（１１１）間の底部側から先端側に向けて押し出されていくので、針状突起部（１１１）間に停滞することがない。よって、従来技術のように凹部に凝縮水が溜まり、更に凹部の外側で各凹部内の凝縮水が互いに繋がり大きな水の膜となって形成されることなく、凝縮水の水滴として撥水させて滑落させていくことができる。
【００１０】
請求項２に記載の発明では、微細突起部（１２１）は、疎水性の官能基を有する単分子膜であることを特徴としている。
【００１１】
この発明によれば、多数の微細突起部（１２１）を針状突起部（１１１）の表面、および針状突起部（１１１）間の基材（１１１）表面に容易に形成することができる。
【００１２】
請求項３に記載の発明では、疎水性の官能基として、アルキル基、およびフルオロアルキル基の少なくとも一方を含むことを特徴としている。
【００１３】
この発明によれば、比較的安価に多数の微細突起部（１２１）を形成することができる。
【００１４】
請求項４に記載の発明では、基材（１１０）は、金属、あるは金属酸化物からなることを特徴としている。
【００１５】
この発明によれば、基材（１１０）が金属、あるいは金属酸化物であると、表面に水酸基を形成し易くなるので、疎水性の官能基を強固に結合させることができ、微細突起部（１２１）を確実に形成することができる。
【００１６】
請求項５に記載の発明では、熱交換部（２１０）の内部を流通する熱媒体によって、熱交換部（２１０）の外部を流通する空気から吸熱する吸熱用の熱交換器であって、
熱交換部（２１０）を形成する熱媒体流通用のチューブ（２１１）、およびチューブ（２１１）に接続されて空気に対する伝熱面を形成するフィン（２１２）の少なくとも一方が、請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載の撥水性基材（１００）によって形成されたことを特徴としている。
【００１７】
吸熱用の熱交換器（２００）においては、空気から吸熱する際に、空気温度が空気中に含まれる水蒸気の露点温度を下回ると、水蒸気は凝縮水となって熱交換部（２１０）の表面に付着する。この凝縮水の付着状態が続くと、熱交換部（２１０）を通過する空気の通気抵抗が増加し、また凝縮水による熱抵抗が上昇するため、熱交換器（２００）における熱交換性能が低下する。更には、凝縮水は、凍結温度以下となると凍結して熱交換部（２１０）の表面に霜となって付着してしまう。
【００１８】
請求項５に記載の発明によれば、吸熱時に熱交換部（２１０）の表面に凝縮水が生成されても、発生する凝縮水に対して良好な滑落効果を与えるので、凝縮水の停滞、更には着霜による熱交換器（２００）の性能低下を抑制することができる。
【００１９】
請求項６に記載の発明では、基材（１１０）の表面に疎水性皮膜（１２０）が設けられた撥水性基材の製造方法であって、
基材（１１０）の表面に、針状に延びる多数の針状突起部（１１１）を形成する突起部形成工程と、
針状突起部（１１１）の表面、および針状突起部（１１１）間の基材（１１１）表面に、針状突起部（１１１）よりも微細な多数の微細突起部（１２１）を形成することで、疎水性皮膜（１２０）を設ける製膜工程とを備えることを特徴としている。
【００２０】
この発明によれば、請求項１に記載の撥水性基材（１００）を製造するための方法として提供することができる。
【００２１】
請求項７に記載の発明では、基材（１１０）は、アルミニウム製の基材（１１０）であり、
突起部形成工程において、基材（１１０）をベーマイト処理することによって針状突起部（１１１）を形成することを特徴としている。
【００２２】
この発明によれば、ベーマイト処理におけるエッチング効果により、多数の針状突起部（１１１）を容易に形成することができる。
【００２３】
請求項８に記載の発明では、請求項７に記載の発明に対して、製膜工程において、針状突起部（１１１）を形成した基材（１１０）を、疎水性の官能基を含む水飽和溶液内に浸漬することで、微細突起部（１２１）を形成することを特徴としている。
【００２４】
この発明によれば、浸漬時において、水飽和溶液中の疎水性の官能基が、針状突起部（１１１）の表面、および針状突起部（１１１）間の基材（１１１）表面に形成される水酸基に強固に結合されるので、微細突起部（１２１）を確実に形成することができる。
【００２５】
尚、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】撥水性基材を示す断面図である。
【図２】図１中のII部を示す拡大図である。
【図３】基材の表面を示す拡大図である（倍率１０００倍）。
【図４】基材の表面（針状突起部）を示す拡大図である（倍率１０００００倍）。
【図５】熱交換器を示す斜視図である。
【図６】フィン断面と凝縮水滴径を示すモデル図である。
【図７】水滴滑落計算式を得るためのモデル図である。
【図８】滑水膜の表面エネルギを算出するためのモデル図である。
【図９】液滴直径が０．４ｍｍで滑落するように接触角を算出するためのモデル図である。
【図１０】フィン内で水滴が閉塞しないための接触角を求めるグラフである。
【図１１】熱交換器における着霜、除霜を繰り返したときの着霜時間を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下に、図面を参照しながら本発明を実施するための複数の形態を説明する。各形態において先行する形態で説明した事項に対応する部分には同一の参照符号を付して重複する説明を省略する場合がある。各形態において構成の一部のみを説明している場合は、構成の他の部分については先行して説明した他の形態を適用することができる。各実施形態で具体的に組み合わせが可能であることを明示している部分同士の組み合わせばかりではなく、特に組み合わせに支障が生じなければ、明示していなくても実施形態同士を部分的に組み合せることも可能である。
【００２８】
（第１実施形態）
第１実施形態の撥水性基材１００について、図１〜図４を用いて説明する。図１は撥水性基材１００を示す断面図、図２は図１中のII部を示す拡大図、図３は基材１１０の表面を示す拡大図（倍率１０００倍）、図４は基材１１０の表面（針状突起部１１１）を示す拡大図（倍率１０００００倍）である。撥水性基材１００は、図１に示すように、アルミニウム製板材から形成される基材１１０の表面に疎水性皮膜１２０が設けられて形成されている。
【００２９】
基材１１０は、アルミニウム、鉄、銅等の金属製、あるいは樹脂製の板部材であり、基材１１０の表面には、針状に延びる多数の針状突起部１１１が形成されている。針状突起部１１１の突起部と突起部との間の寸法を周期と定義したとき、針状突起部１１１の周期は、７００ｎｍ〜５００μｍ程度となっている。針状突起部１１１の周期は、好ましくは１μｍ〜１０μｍ程度が良い。このように針状突起部１１１は、ミクロンオーダーの突起部となっている。
【００３０】
疎水性皮膜１２０は、多数の微細突起部１２１によって形成されている。つまり、疎水性皮膜１２０は、多数の微細突起部１２１の集合体として形成されている。微細突起部１２１は、針状突起部１１１の表面および針状突起部１１１間の基材１１１の表面において、針状突起部１１１よりも更に微細に形成された多数の突起部となっている。微細突起部１２１の周期は、１ｎｍ〜５００ｎｍ程度となっている。微細突起部１２１の周期は、好ましくは１ｎｍ〜１０ｎｍ程度が良い。このように微細突起部１２１は、ナノオーダーの突起部となっている。
【００３１】
上記の撥水性基材１１０は、以下のように製造されるようになっている。
【００３２】
１．第１工程（前工程）
まず、４ｃｍ２（２ｃｍ四方）のアルミニウム製板材を基材１１０として製作する。そして、研磨によって、基材１１０の表面に、凹凸部１１２を形成する。この凹凸部１１２は、例えば、熱交換器を構成するチューブやフィンの材料段階における表面と同等の凹凸状態にするものである。
【００３３】
実際の研磨にあたっては、例えば、＃１００耐水性紙やすり（三共理化学社製 Ｆｕｊｉ Ｓｔａｒ）を使用した。表面粗さ計測器（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｉｎｓｔｕｍｅｎｔｓ社製 Ｄｅｋｔａｋ ６Ｍ）を用いて、研磨後の基材１１０の表面粗さを計測することにより、凹凸部１１２の周期（山と山との間の寸法）を測定することができる。得られた周期（輪郭曲線要素の平均長さＲＳｍ：ＪＩＳ Ｂ０６０１−２００１）は、１０μｍであることが確認された。なお、このときの凹凸部１１２の算術平均高さＲａは、０．５μｍであった。この時の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）による表面形状観察像を図３に示す。尚、図３中の（ａ）と（ｂ）は、基材１１０の表面の代表の２ヶ所における観察結果である。
【００３４】
２．第２工程（突起部形成工程）
第１工程にて凹凸部１１２の形成された基材１１０をアセトンに浸漬して表面清浄化を行い、沸騰する純水中に５分間浸漬することでベーマイト処理を行った。次に、取り出した基材１１０を冷却後、超純水を吹きかけて洗浄し、窒素ガスを吹きかけて乾燥させた。これにより、基材１１０の表面に水酸基を生成させた。また、基材１１０の表面に針状突起部１１１を形成させた。なお、沸騰水中にジエタノールアミン等のアミン類を添加してもよい。
【００３５】
上記のように基材１１０をベーマイト処理する目的は２つある。１つはベーマイト処理することにより基材１１０の表面に水酸基を形成し、続く第３工程において単分子膜形成試薬と水酸基とが反応し、強固な結合を形成させるためである。
【００３６】
ベーマイト処理の目的の２つめは、ベーマイト処理の過程で基材１１０の表面がエッチングされ、凹凸部１１２の表面に非常に微細な針状構造をなす針状突起部１１１を形成させるためである。このベーマイト処理後の基材１１０を、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察した像を図４に示す。尚、図４中の（ａ）と（ｂ）は、基材１１０の表面の代表の２ヶ所における観察結果である。このＳＥＭ像からの解析結果から粗さの解析をしたところ、針状突起部１１１が確認された。なお、このときの針状突起部１１１の算術平均高さＲａは、２０ｎｍであった。
【００３７】
３．第３工程（製膜工程）
製膜工程は、上記第１、第２工程の後に、基材１１０を疎水性皮膜の水飽和溶液中に浸漬させることで、針状突起部１１１の表面に疎水性皮膜１２０（多数の微細突起部１２１）を形成するものである。
【００３８】
具体的には、ＯＤＳ（ｏｋｕｔａｄｅｃｙｌｔｒｉｍｅｔｈｏｘｙｓｉｌａｎｅ）２５ｍＭの水飽和キシレン溶液に、第２工程にて表面をベーマイト処理した基材１１０を室温（２０℃）で２日浸積した。
【００３９】
４．第４工程（製膜処理の後処理）
第３工程にて製膜処理を行った基材１１０をアセトンにて洗浄した後、８０℃にて１時間乾燥させた。
【００４０】
以上の工程により、針状突起部１１１の表面、および針状突起部１１１間の基材１１０表面に、アルキル基を有するＣ１８Ｈ３７Ｓｉ（Ｏ−）３の単分子膜（アルキル単分子膜）からなる疎水性皮膜（撥水膜）１２０が形成された撥水性基材１００を作製した。なお、上記第４工程は省略することもできる。
【００４１】
このように構成された撥水性基材１００は、図１、図２に模式的に示す構造を有する。この撥水性基材１００においては、針状突起部１１１が上記第２工程により形成され、微細突起部１２１、即ち疎水性皮膜１２０（ＯＤＳ単分子膜）が上記第３工程により形成されたものとなっている。
【００４２】
このようにして形成した撥水性基材１００は、高い撥水性（接触角＝１６０°）を有しており、３°で配置した撥水性基材１００に凝縮水を発生させると、水滴直径１ｍｍとなったときに滑落した。
【００４３】
本実施形態では、基材１１０の表面に凝縮水が発生するような条件下において、凝縮水は、針状突起部１１１間の底部表面から凝縮水が生成されても、互いに結合して成長していく際に微細突起部１２１によって針状突起部１１１間の底部側から先端側に向けて押し出されていくので、針状突起部１１１間に停滞することがない。よって、従来技術のように凹部に凝縮水が溜まり、更に凹部の外側で各凹部内の凝縮水が互いに繋がり大きな水の膜となって形成されることなく、凝縮水の水滴として撥水させて滑落させていくことができる。
【００４４】
また、本実施形態の撥水性基材１００では、低温時において表面に霜が発生しうる条件下においても、上記のように高い滑落性能を発揮することから、撥水性基材１００表面に霜の発生が起きる時間を遅らせることができた。
【００４５】
（第２実施形態）
第２実施形態では、上記第１実施形態に対して、第３工程における製膜材料を変更して撥水性基材１００を作成した。
【００４６】
即ち、まず、第１工程、および第２工程までは、上記第１実施形態と同一の工程を経た基材１１０を準備した。そして、第３工程（製膜工程）として、ＦＡＳ１７（ｐｅｒｆｌｕｏｒｏｄｅｃｙｌｔｒｉｍｅｔｈｏｘｙｌｓｉｌａｎｅ）２５ｍＭの水飽和１、３−ビス（トリフルオロメチル）ベンゼン（Ｆ６ｘｙ）溶液に、第２工程にて表面をベーマイト処理した基材１１０を室温（２０℃）で２日浸積した。
【００４７】
上記第３工程の後、上記第１実施形態の第４工程と同様の処理を行った。以上の工程により、基材１１０の針状突起部１１１の表面に、フルオロアルキル基を有するＣ８Ｆ１７Ｃ２Ｈ４Ｓｉ（Ｏ−）３の単分子膜（フッ化アルキル単分子膜）からなる疎水性皮膜１２０（多数の微細突起部１２１）が形成された撥水性基材１００を作製した。なお，第４工程は省略することもできる。
【００４８】
このようにして作成された撥水性基材１００は，第１実施形態にて作成した撥水性基材１００と同等の撥水性を示した。
【００４９】
（第３実施形態）
第３実施形態では、第１、第２実施形態に対して、第３工程における製膜材料を変更して撥水性基材１００を作成した。
【００５０】
即ち、まず、第１工程、および第２工程までは、上記第１、第２実施形態と同一の工程を経た基材１１０を準備した。そして、第３工程（製膜工程）として、Ｃ８Ｆ１７Ｃ２Ｈ４ＮＣＯ（ｐｅｒｆｌｕｏｒｏｄｅｃｙｌｉｓｏｃｙａｎａｔｅ）０．５ｇが封入された容積２０ｍｌの密閉加圧可能な反応容器に、第２工程にて表面をベーマイト処理した基材１１０を挿入して密封し、１５０℃にて７２時間気相反応させた。
【００５１】
上記第３工程の後、上記第１、第２実施形態の第４工程と同様の処理を行った。以上の工程により、基材１１０の針状突起部１１１の表面に、フルオロアルキル基を有するＣ８Ｆ１７Ｃ２Ｈ４ＮＨＣＯＯ−の単分子膜（フッ化アルキル単分子膜）からなる疎水性皮膜１２０（多数の微細突起部１２１）が形成された撥水性基材１００を作製した。なお，第４工程は省略することもできる。
【００５２】
このようにして作成された撥水性基材は１００、第１、第２実施形態にて作成した撥水性基材１００と同等の撥水性を示した。
【００５３】
（第４実施形態）
第４実施形態では、第１〜第３実施形態に対して、第３工程における製膜材料を変更して撥水性基材１００を作成した。
【００５４】
即ち、まず、第１工程、および第２工程までは上記第１〜第３実施形態と同一の工程を経た基材１１０を準備した。そして、第３工程（製膜工程）として、Ｃ１８Ｈ３７ＮＣＯ（ｏｃｔａｄｅｃｙｌｉｓｏｃｙａｎａｔｅ）１．４ｇが封入された容積１００ｍｌの密閉加圧可能な反応容器に、第２工程にて表面をベーマイト処理した基材１１０を挿入して密封し、１５０℃にて７２時間気相反応させた。
【００５５】
上記第３工程の後、上記第１〜第３実施形態の第４工程と同様の処理を行った。以上の工程により、基材１１０の第１、第２凹凸部１１１、１１２の表面に、アルキル基を有するＣ１８Ｈ３７ＮＨＣＯＯ−の単分子膜（アルキル単分子膜）からなる疎水性皮膜１２０（多数の微細突起部１２１）が形成された撥水性基材１００を作製した。
【００５６】
このようにして作成された撥水性基材１００は、第１〜第３実施形態にて作成した撥水性基材１００と同等の撥水性を示した。
【００５７】
（第５実施形態）
第５実施形態は、上記第１〜第４実施形態にて説明した撥水性基材１００を熱交換器２００に適用したものである。
【００５８】
熱交換器２００は、吸熱用の熱交換器であって、図５に示すように、例えば車両用空調装置の冷凍サイクルにおいて空調用空気を冷却する蒸発器となっている。熱交換器２００は、熱交換部２１０と、この熱交換部２１０に接続される一対のヘッダタンク２２０とを備えている。熱交換部２１０は、複数積層される断面扁平状のチューブ２１１と、各チューブ２１１の間に介在される波形のフィン２１２とを有している。チューブ２１１は、内部を熱媒体としての冷媒が流通する管部材であり、各チューブ２１１の両先端部は、一対のヘッダタンク２１１内部にそれぞれ連通するように接続されている。また、フィン２１２は、薄肉の帯板材から波状に形成されて伝熱面を形成する伝熱部材であり、チューブ２１１に接合（接続）されている。フィン２１２の伝熱面には、図６に示すように、鎧戸状のルーバ２１２ａが複数形成されている。第５実施形態の熱交換器２００では、上記チューブ２１１とフィン２１２とが、上記第１〜第４実施形態のいずれか１つにて説明した撥水性基材１００によって形成されている。
【００５９】
熱交換器２００においては、冷凍サイクル内で減圧されて低温低圧となった冷媒が、複数のチューブ２１１内を流通し、また、チューブ２１１の外側およびフィン２１２の周り（熱交換部２１０の外側）を空調用空気が通過し、空調用空気が冷媒によって冷却されるようになっている。空調用空気が冷却される際に、空調用空気の温度が空気中に含まれる水蒸気の露点温度を下回ると、水蒸気は凝縮水となって熱交換部２１０（チューブ２１１、フィン２１２）の表面に付着する。この凝縮水の付着状態が続くと、熱交換部２１０を通過する空調空気の通気抵抗が増加し、また凝縮水による熱抵抗が上昇するため、熱交換器２００における熱交換性能が低下する。更には、凝縮水は、凍結温度以下となると凍結して熱交換部２１０の表面に霜となって付着してしまう。よって、吸熱用の熱交換器２００においては、まず、作動中に凝縮水が生成されても、生成された凝縮水を撥水作用によって速やかに滑落させることが必要とされる。以下、生成される凝縮水を速やかに滑落させるための条件を検討する。
【００６０】
まず、図６示すように、フィン２１２においては、通常、各伝熱面間の距離は、１．５ｍｍ程度に、またルーバ２１２ａのピッチは０．８ｍｍ程度に設定されている。よって、凝縮水が生成された場合でも凝縮水が隙間の狭いルーバ２１２ａの間で表面張力によって幕張り（水滴詰まり）を形成しないように、生成される凝縮水の液滴直径が０．４ｍｍ以下となるように抑えてやる必要がある。
【００６１】
ここで、水滴の滑落計算式については、以下の数式１が知られている。即ち、
（数１）
２πｒＥ＝ｍｇ・ｓｉｎα
数式１にて、図７に示すように、２πｒＥは付着力、ｍｇ・ｓｉｎαは滑落方向に沿う重力を表しており、ｒは凝縮水着滴半径（ｍ）、Ｅは滑水膜の表面エネルギ（Ｊ／ｍ２）、ｍは水滴の質量（ｋｇ）、ｇは重力加速度（ｍ／ｓ２）、αは傾斜角（度）であり、図７中のθは接触角（度）である。尚、凝縮水着滴半径ｒは、接触角θの関数として表すことができ、凝縮水着滴半径ｒ＝（水滴直径ｄ／２）・ｃｏｓ（θ−９０）である。
【００６２】
次に、上記数式１と、実験結果とをもとに表面エネルギＥを求める。例えば、実験条件として、上記第１実施形態で説明したように、水滴直径ｄを１ｍｍ、傾斜角αを３度、接触角θを１６０度、無風条件としたときに、水滴が滑落することを確認している（図８）。よって、上記の条件を数式１に代入して、実際に水滴が滑落する際の表面エネルギＥを求める。数式１より、
２・π・０．５・ｃｏｓ（１６０−９０）・Ｅ
＝４／３・π・０．５３・９．８・ｓｉｎ（３）
となり、Ｅ＝２．５×１０−４（Ｊ／ｍ２）が得られた。
【００６３】
次に、水滴直径ｄがルーバ２１２ａの隙間（０．８ｍｍ）を確実に通過可能な０．４ｍｍの場合に、滑落可能な接触角θを数式２より算出する。即ち、
（数２）
２πｒＥ＝１／２・ρ・Ｖ２・Ａ・ＣＤ
数式２にて、図９に示すように、２πｒＥは付着力、１／２・ρ・Ｖ２・Ａ・ＣＤは抗力を表しており、ｒは凝縮水着滴半径（ｍ）、Ｅは滑水膜の表面エネルギ（Ｊ／ｍ２）、ρは空気密度（ｋｇ／ｍ３）、Ｖは相対速度（ｍ／ｓ）、Ａは投影断面積（ｍ２）、ＣＤは抗力係数である。
【００６４】
数式２に、凝縮水着滴半径ｒ＝（水滴直径ｄ／２）・ｃｏｓ（θ−９０）、滑落する際の表面エネルギＥを２．５×１０−４（Ｊ／ｍ２）として、空気密度ρ＝１０００（ｋｇ／ｍ３）、相対速度Ｖ＝１ｍ／ｓ、投影断面積Ａ＝π・０．２２、抗力係数ＣＤ＝近似値、を代入して、接触角θに対する付着力と抗力とを求めると図１０が得られた。
【００６５】
凝縮水がルーバ２１２ａ間で閉塞しないためには、図１０の抗力が付着力よりも上回る接触角θの範囲であることが必要であり、その接触角θは１４８度以上であることが解った。
【００６６】
上記第１〜第４実施形態の撥水性基材１００は、接触角が１６０度のレベルで得られており、この撥水性基材１００を用いた熱交換器２００においては、チューブ２１１やフィン２１２の表面から特別な操作をすることなく、良好に凝縮水を滑落、および除去することができた。また、凝縮水の良好な滑落が得られたことから、熱交換部２１０の表面に霜が所定量まで発生する時間を遅らせることができた。
【００６７】
図１１は、熱交換器２００において着霜、除霜を繰り返したときの着霜時間を示すグラフである。（ａ）は本発明、（ｂ）は比較品を示す。比較品は、従来の親水性の皮膜を備え、本実施形態における疎水性皮膜を備えないものである。実験条件は、
・着霜運転時において、
空気側条件として
乾球温度＝２±０．３℃、湿球温度＝１±０．３℃、
前面風速＝０．８±０．０１ｍ／ｓ、
冷媒側条件として
冷媒入口温度＝−７．４±０．６℃、冷媒流量＝１０±０．５Ｌ／ＭＩＮ、
・除霜運転時において、
空気側条件として
前面風速＝０ｍ／ｓ、
冷媒側条件として
冷媒入口温度＝１３±２℃、冷媒流量＝２±０．５Ｌ／ＭＩＮ、
・試験サイクル
着霜条件で熱交換器の通風抵抗が１００Ｐａまで上昇した時点で終了し、除霜運転６分とし、
以下、繰り返すものとしとした。
【００６８】
本発明では、比較品に対して凝縮水の滑落を促進できるので、凝縮水が熱交換部２１０に停滞しにくく、よって着霜して、熱交換部２１０の通風抵抗が所定値（ここでは、１００Ｐａ）にいたるまでの時間を大きく低減できている。
【００６９】
（その他の実施形態）
以上，本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の形態をとり得ることはいうまでもない。
【００７０】
例えば，上記各実施形態においては、疎水性被膜１２０として、ＯＤＳ、ＦＡＳ１７、Ｃ８Ｆ１７Ｃ２Ｈ４ＮＣＯ、Ｃ１８Ｈ３７ＮＣＯ等を用いて単分子膜を形成したが、それら以外の試薬で単分子膜を形成しても良い。例えば、片側にフッ素のような疎水基を持ち、反対側にＯ−Ｓｉ−Ｏのような水酸基に結合し易い官能基を持った構造のものならば適用可能である。尚、疎水性被膜１２０として、アルキル基、フルオロアルキル基のような疎水性の官能基が含まれていると高い疎水性を発現させることができる。
【００７１】
また、針状突起部１１１の作成方法は，上述した各実施形態の方法に限定されず、この他にも、ナノインプリント法等を用いることができる。
【００７２】
また，上記各実施形態では基材１１０として、アルミニウム製板材を用いる構成を例示したが、アルミニウム製板材以外にも銅板や鉄板等、様々な金属を用いることができる。また、基材１１０は、金属に限定されず、例えば樹脂で形成されていても良い。
【符号の説明】
【００７３】
１００ 撥水性基材
１１０ 基材
１１１ 針状突起部
１２０ 疎水性皮膜
１２１ 微細突起部
２００ 熱交換器
２１０ 熱交換部
２１１ チューブ
２１２ フィン
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材（１１０）と、
前記基材（１１０）の表面に設けられた疎水性皮膜（１２０）とを備える撥水性基材であって、
前記基材（１１０）の表面には、針状に延びる多数の針状突起部（１１１）が形成されており、
前記疎水性皮膜（１２０）は、前記針状突起部（１１１）の表面、および前記針状突起部（１１１）間の前記基材（１１０）表面において、前記針状突起部（１１１）よりも微細な多数の微細突起部（１２１）として形成されていることを特徴とする撥水性基材。
【請求項２】
前記微細突起部（１２１）は、疎水性の官能基を有する単分子膜であることを特徴とする請求項１に記載の撥水性基材。
【請求項３】
前記疎水性の官能基として、アルキル基、およびフルオロアルキル基の少なくとも一方を含むことを特徴とする請求項２に記載の撥水性基材。
【請求項４】
前記基材（１１０）は、金属、あるは金属酸化物からなることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の撥水性基材。
【請求項５】
熱交換部（２１０）の内部を流通する熱媒体によって、前記熱交換部（２１０）の外部を流通する空気から吸熱する吸熱用の熱交換器であって、
前記熱交換部（２１０）を形成する前記熱媒体流通用のチューブ（２１１）、および前記チューブ（２１１）に接続されて前記空気に対する伝熱面を形成するフィン（２１２）の少なくとも一方が、請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載の撥水性基材（１００）によって形成されたことを特徴とする熱交換器。
【請求項６】
基材（１１０）の表面に疎水性皮膜（１２０）が設けられた撥水性基材の製造方法であって、
前記基材（１１０）の表面に、針状に延びる多数の針状突起部（１１１）を形成する突起部形成工程と、
前記針状突起部（１１１）の表面、および前記針状突起部（１１１）間の前記基材（１１１）表面に、前記針状突起部（１１１）よりも微細な多数の微細突起部（１２１）を形成することで、前記疎水性皮膜（１２０）を設ける製膜工程とを備えることを特徴とする撥水性基材の製造方法。
【請求項７】
前記基材（１１０）は、アルミニウム製の基材（１１０）であり、
前記突起部形成工程において、前記基材（１１０）をベーマイト処理することによって前記針状突起部（１１１）を形成することを特徴とする請求項６に記載の撥水性基材の製造方法。
【請求項８】
前記製膜工程において、前記針状突起部（１１１）を形成した前記基材（１１０）を、疎水性の官能基を含む水飽和溶液内に浸漬することで、前記微細突起部（１２１）を形成することを特徴とする請求項７に記載の撥水性基材の製造方法。
【請求項１】
基材（１１０）と、
前記基材（１１０）の表面に設けられた疎水性皮膜（１２０）とを備える撥水性基材であって、
前記基材（１１０）の表面には、針状に延びる多数の針状突起部（１１１）が形成されており、
前記疎水性皮膜（１２０）は、前記針状突起部（１１１）の表面、および前記針状突起部（１１１）間の前記基材（１１０）表面において、前記針状突起部（１１１）よりも微細な多数の微細突起部（１２１）として形成されていることを特徴とする撥水性基材。
【請求項２】
前記微細突起部（１２１）は、疎水性の官能基を有する単分子膜であることを特徴とする請求項１に記載の撥水性基材。
【請求項３】
前記疎水性の官能基として、アルキル基、およびフルオロアルキル基の少なくとも一方を含むことを特徴とする請求項２に記載の撥水性基材。
【請求項４】
前記基材（１１０）は、金属、あるは金属酸化物からなることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の撥水性基材。
【請求項５】
熱交換部（２１０）の内部を流通する熱媒体によって、前記熱交換部（２１０）の外部を流通する空気から吸熱する吸熱用の熱交換器であって、
前記熱交換部（２１０）を形成する前記熱媒体流通用のチューブ（２１１）、および前記チューブ（２１１）に接続されて前記空気に対する伝熱面を形成するフィン（２１２）の少なくとも一方が、請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載の撥水性基材（１００）によって形成されたことを特徴とする熱交換器。
【請求項６】
基材（１１０）の表面に疎水性皮膜（１２０）が設けられた撥水性基材の製造方法であって、
前記基材（１１０）の表面に、針状に延びる多数の針状突起部（１１１）を形成する突起部形成工程と、
前記針状突起部（１１１）の表面、および前記針状突起部（１１１）間の前記基材（１１１）表面に、前記針状突起部（１１１）よりも微細な多数の微細突起部（１２１）を形成することで、前記疎水性皮膜（１２０）を設ける製膜工程とを備えることを特徴とする撥水性基材の製造方法。
【請求項７】
前記基材（１１０）は、アルミニウム製の基材（１１０）であり、
前記突起部形成工程において、前記基材（１１０）をベーマイト処理することによって前記針状突起部（１１１）を形成することを特徴とする請求項６に記載の撥水性基材の製造方法。
【請求項８】
前記製膜工程において、前記針状突起部（１１１）を形成した前記基材（１１０）を、疎水性の官能基を含む水飽和溶液内に浸漬することで、前記微細突起部（１２１）を形成することを特徴とする請求項７に記載の撥水性基材の製造方法。
【図１】
【図２】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図３】
【図４】
【図２】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１２−２２８６７０（Ｐ２０１２−２２８６７０Ａ）
【公開日】平成２４年１１月２２日（２０１２．１１．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−９９１９８（Ｐ２０１１−９９１９８）
【出願日】平成２３年４月２７日（２０１１．４．２７）
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１１月２２日（２０１２．１１．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年４月２７日（２０１１．４．２７）
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【Ｆターム（参考）】
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