JP6600809B2 - 基材およびその基材を用いた機器 - Google Patents

Description

本発明は、基材およびとその基材を用いた機器に関するものである。特に、水分などを蒸発させやすい基材およびその基材を用いた機器に関する。

従来の冷凍機器や空調機器の蒸発器では、蒸発器にあるフィンの表面温度が、マイナスの温度となる時、フィンの表面に着霜が生じる。この結果、フィン間を通過する風量は、減少し、蒸発器の冷却能力は低下している。

また、屋外で使用される防犯カメラや車載カメラは、雨天日や寒冷地では、カメラに、結露水が付着し、カメラの性能が低下する。

上記課題を解決するため、蒸発器フィンの表面に、多数の凹凸部が形成し、熱を吸収すること、かつ、この凹凸部に、撥水被膜を形成する技術が知られている（特許文献１）。このことで、フィン表面に結露水・霜を発生するのを防止できる。なお、特許文献１の撥水被膜としては、フッ素系またはシリコーン系の塗料を用いている。

特開２０１３−３６７３３号公報

しかし、上述の特許文献１の技術では、以下のような問題が生じる。これを図６を用いて説明する。

図６は、従来の方法により作製された撥水性の基材２２を示す断面図である。撥水性の基材２２は、基部２３と突起２４と疎水性被膜２５からなる。

突起２４は、基部２３の表面から無数に存在する。疎水性被膜２５は、基部２３と突起２４の表面に毛状に存在している。また、突起２４の断面幅寸法Ｄは、７５〜１００μｍの範囲で形成されている。突起２４間の突起２４間の隙間も同じ寸法である。

このため、突起２４間で凝縮水が付着してしまい、その凝縮水が互いに広がり大きな水滴に成長したり、低温域では凝縮水から霜へ成長する。その結果、蒸発器の冷却性能が低下してしまう。隙間を大きくすると、凝縮水の付着が防止できるが、温度が下がり、霜により水が生じる。

本発明は、上記従来の課題を解決するものであり、結露水および着霜を防止できる基材とその基材を用いた機器を提供することを課題とする。

上記目的を達成するために、基底部の少なくとも一つの面に位置する複数の四角錐状形状の突起部と、を有し、前記複数の突起部の先端部分間の距離が５ｎｍ以上１０ｎｍ未満である基材を用いる。上記基材を有する機器を用いる。

本願発明の基材では、親水処理された突起部先端のみに水滴および霜が成長する。そのため、水滴および霜が自らの重量により、基材から離れる。着霜および結露水を加熱装置を使用することなく除去できるので、蒸発器の冷却性能低下抑制およびをカメラレンズおよび材質が樹脂である部材の曇り防止することができる。

（ａ）本発明の実施の形態における基材を示す図、（ｂ）本発明の実施の形態における基材表面の断面図 本発明の実施の形態における基材表面上での凝縮液滴の生成過程を示す図 （ａ）実施例３の形態における基材を示す図、（ｂ）実施例３の形態における基材表面の断面図 実施例、比較例における結露水評価および着霜評価での試験装置の断面図 （ａ）本発明の実施例１の適用例を示す図、（ｂ）本発明の実施例４の適用例を示す図 特許文献１の形態における従来の基材の断面図

以下、本発明の実施の形態に係る基材１について説明する。図１（ａ）は、基材１の斜視図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）の基材１表面の点線部分の詳細を記した断面図を示す。基材１の材質は、樹脂または金属である。

基材１は、基底部２と、断面が台形状で四角錐体の形状である複数の突起部３と、を有し、突起部３の先端には親水部４を有する。突起部３は、少なくとも基底部２の１つの面の表面に位置する。基底部２の他の面に突起部３があってもよい。

基底部２と突起部３との境界は、突起部３を生成する処理の有無の境界に相当する。突起部３を生成する方法については、以下＜基材１と突起部３の生成＞で説明する。

また、基材１において、基底部２および突起部３の表面に撥水処理を行い、突起部３の先端に相当する親水部４のみに親水処理がされている。図１（ｂ）に示す突起部３間の距離ｄを５〜１０ｎｍにすることで、親水部４のみで凝縮水が成長し、結露水および着霜を防止できる材料となる。

ここでの突起部３の先端の長さＬ‘は突起部３の長さＬに対して１０％以上２５％以下であることが好ましい。１０％以下よりも小さい場合、先端部のみの親水処理が難しくなり、２５％より大きい場合、凝縮水が吸着する面積が大きくなり、結露水および着霜を防止できる効果が小さくなる。

また、ここでの突起部３間の距離とは、突起部３の中心間距離のことを示す。

また、角度θは、鉛直方向に対しての角度である。図１（ｂ）に示すように、鉛直方向に平行方向の基材１の断面図において、突起部３の側面の上端部分と鉛直方向とのなす角度である。

＜基材１＞
実施の形態において使用され得る基材１は、基材１の表面に断面が台形状で四角錐体の複数の突起部３を形成することを特徴としている。

基材１が、金属材質である場合、アルミまたはチタン、マグネシウムを主成分とする合金が好ましい。この場合、突起部３の生成は、陽極酸化法によるアルミ微細穴加工で形成されることが好ましい。特に、アルミ合金であれば、陽極酸化法だけでなく水と反応し酸化皮膜を形成するベーマイト処理も可能であり、いずれも微細な表面凹凸処理をするのに適している。

また、基材１が、樹脂材質であれば、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合合成樹脂（ＡＢＳ樹脂）またはポリカーボネート（ＰＣ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレン（ＰＥ）など熱可塑性樹脂、もしくは剛性の高いアクリル樹脂、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、シリコント樹脂など熱硬化性樹脂のいずれかを使用することが好ましい。この場合、突起部３の生成はエッチング処理あるいは金属ペーストのパターン印刷により形成されることが好ましい。この結果、基材１の表面に微細な凹凸を形成できる。

＜突起部３の形状＞
突起部３は、四角錐体である。突起部３の各突起部長さＬは、０．１μｍ〜１０μｍである。突起部３間の距離ｄは、５ｎｍ〜１０ｎｍであることが好ましい。

突起部３の長さＬが、０．１μｍより小さい場合、突起部３を規則的に生成させるのが難しい。

突起部３の長さＬが、１０μｍより大きい場合、突起部３間の凹部に凝縮液滴が付着した際に先端部へ凝縮液滴が移動するエネルギーより凹部表面で付着する表面エネルギーが大きくなり、凹部表面で液滴が成長してしまう。

また、突起部間の距離ｄが５ｎｍより小さい場合、突起部３を規則的に生成させるのが難しい。突起部間の距離ｄが１０ｎｍより大きい場合、凝縮液滴が突起部３間の凹部に付着し、その凝縮水が互いに広がり大きな水滴に成長してしまう。

また、実施の形態において使用され得る突起部３は、鉛直方向に対して角度θが９０°未満で形成されることが好ましい。ここで鉛直方向とは、基材１の形状に関わらず縦方向を示す。

鉛直方向に対して角度θが９０°未満の場合、突起部３に水蒸気５が付着しても下方向の傾斜により、凝縮液滴が転落し、傾斜部において凝縮液滴や霜が成長しにくくなる。

鉛直方向に対して角度θが９０°を超えた場合、平坦あるいは上方向に傾斜となるため、突起部全体もしくは突起部凹部で凝縮液滴が成長してしまう。

凝縮液滴の成長については、以下の＜突起部３における凝縮液滴の生成過程＞で説明する。

＜基底部２および親水部４を除く突起部３の表面処理＞
実施の形態において使用され得る基底部２および親水部４を除く突起部３の表面処理は、撥水処理を行うことが好ましい。理由は、以下の＜突起部３における凝縮液滴の生成過程＞で説明する。

撥水処理としては、フッ素結合を含まないアルキルシランからなる分子膜を形成する方法が好ましい。炭素―フッ素結合は表面張力が小さいため、炭素―フッ素結合を含むシランカップリング剤を含有させることで超撥水性の有するコーティング剤となる。

しかし、そのようなコーティング剤は、耐摩耗性に優れておらず、使用経過とともに撥水性の性能が低下してしまう問題点がある。そのため、フッ素結合を含まないアルキルシランからなる分子膜を形成する方法が好ましい。

なお、この表面処理をすれば、突起部３間の距離ｄや長さLは、上記でなくとも効果がでる。

＜突起部３における凝縮液滴の生成過程＞
突起部３における凝縮液滴の生成過程を図２（ａ）〜図２（ｃ）に示す。

図２（ａ）に示すように、突起部３の周辺に浮遊する水蒸気５が存在する。これらの水蒸気５は、突起部３の表面の特異点から発生しやすい。結果、図２（ｂ）に示すように、水蒸気５は、突起部３の先端の親水部４に付着する。次に、図２（ｃ）に示すように、水蒸気５は、その場で成長し、凝縮液滴６となる。

突起部３の先端である親水部４に親水処理を行い、更に親水部４を除く突起部３および基底部２を撥水処理する。このことで、親水部４のみで凝縮液滴６が成長し、低温環境では凝縮液滴が霜へと成長する。

蒸発器のフィンのように基底部２に送風空気が接触する場合は、自然対流発生時も基底部２に水蒸気が接触しやすく、また低温環境かつ湿度の高い環境である。この時の空気中の水蒸気圧およびマイナス温度域での凝縮液滴が発生した際の飽和蒸気圧、凝縮液滴が発生する表面が撥水処理された場合の表面張力の関係により、凝縮液滴の初期半径は約５〜１０ｎｍである。

以上の知見からも、マイナス温度環境下において、図２（ｃ）に示す凝縮した凝縮液滴６の初期半径Φは約５ｎｍ〜１０ｎｍであると考えられる。突起部３間の距離ｄを初期半径Φと同じ寸法である５ｎｍ〜１０ｎｍにすることにより、突起部３の凹部に水蒸気が付着しても凝縮液滴が生成しにくいといえる。

以上の構造にすることで、基材１は結露水および着霜を防止できる。

以下に本発明について、実施例によりさらに具体的に説明する。なお、本発明は以下の実施例により何ら限定されるものではない。
（実施例）
表１に、以下の実施例および比較例で使用した基材１の構成を示す。

（実施例１、２）
図１（ａ）、図１（ｂ）で示した基材１を作製した。基材１としてアルミ材を使用する。基底部２表面に複数の突起部３を陽極酸化法により生成させる。陽極酸化法はアルミニウムを酸性の電解液中で電気分解して（陽極酸化）微細穴を形成することができる。また、特定条件下において自己組織化により図１に示す突起部３のように規則性構造の生成がされる。生成される突起部３の形状寸法は表１に示す。

次に、基材１全体の表面に撥水処理を行う。処理方法は、以下のとおりである。

シランカップリング剤と水と酢酸を用意し、ｐＨが酸性になるように混合液を作製する。酸性混合液作製してから１２時間後に混合液にエタノールを添加し、撥水処理液を作製した。この撥水処理液の中に基材１をディッピングした後、１００℃の恒温槽に１時間放置させことで、基材１全体の表面に撥水性を付与した。

次に、突起部先端に親水部４を作製するため、先端部を微小に研磨することで突起部３の形状を台形状に形成する。切削された先端部にエッチング処理により親水性を付与させ、親水部４を生成する。

実施例１，２の相違点は、突起部３の寸法である。
（実施例３）
図３（ａ）、図３（ｂ）に示す基材７を使用した。図３（ａ）、図３（ｂ）は、図１（ａ）、図１（ｂ）に相当する図である。基材７は台形柱形状である。

図３（ｂ）に示すように、基材７の表面は、基底部８と断面が台形状の複数の突起部３を有する。また、突起部３の先端には親水部４を有する。
作製方法は実施例１と同じ工程で基材７を作製した。

（実施例４）
基材としてＡＢＳ樹脂を使用する。基底部２表面に複数の突起部３をエッチング処理により生成させる。生成される突起部３の形状寸法は表１に示す。撥水処理については、実施例と同じ処理方法で作製した撥水処理液を使用する。突起部先端はすでにエッチング処理にて親水処理されているため、先端部を親水剤が浸漬しないようにマスキングした後、
撥水処理液に基材１をディッピングさせ、撥水性を付与させる。

（比較例１）
比較例１については、基材としてアルミ材を使用し、無処理の基材１を作製した。

（比較例２）
比較例２については、基材１としてアルミ材を使用し、突起部３は形成するが基材１表面に撥水あるいは親水処理を行なうことなく、図１（ａ）、図１（ｂ）に示すような基材１を作製した。

（比較例３〜５）
比較例３〜５については、基材１としてアルミ材を使用し、作製方法は実施例１と同じ工程で基材１を作製した。

（評価）
次に、表１に示した構成からなる基材１、７の結露水吸着評価および着霜評価を行った。それぞれの評価方法は下記の通りである。

＜結露水吸着評価＞
試験装置概略を図４に示す。図４は、ペルチェ素子１０、アルミプレート１１、樹脂プレート１２、ヒートシンク１３、ファン１４、ペルチェ素子内の熱電対１５、サンプル表面付属の熱電対１６、基材１から構成される。

試験条件は、以下のとおりである。雰囲気温度２０℃湿度４０％、アルミプレート１１上に基材１をのせ、基材１の表面温度１０℃に設定し結露水が吸着するのをマイクロスコープにて観察した。その際、基材１の表面に凝縮液滴が目視で確認できるまでの時間を測定した。このとき、結露水抑制の合格基準は、測定時間が比較例１の場合に対し３０分以上経過した場合を○、それ以下の場合を×とした。

＜着霜評価＞
試験装置は結露水吸着評価と同様、図４に示したものを使用した。結露水吸着評価と同様、基材１の表面に着霜が目視で確認できるまでの時間を測定した。このとき、着霜抑制の合格基準は、測定時間が比較例１の場合に対し１時間以上経過した場合を○、それ以下の場合を×とした。

＜結露水・着霜の抑制度の総合判定＞
本願発明での結露水・着霜抑制度の合格基準として、結露水吸着評価、着霜評価のそれぞれで、両方合格は、○とした。不合格がどちらかにある場合、×とした。

＜表１の考察＞
表１からの結果からも明らかなように、実施例に係る基材１は、比較例に係るそれらよりも結露水・着霜の抑制度が大きく、防曇性・防霜性に優れている。

＜基材の材質＞
実施例１と実施例４を比較すると、実施例１ではアルミ材質、実施例４ではＡＢＳ樹脂を使用している。いずれも、立体形状は四角柱を有し、突起部３の形成と撥水処理、突起部３の先端に親水処理を行うことで親水部４を形成し、結露水吸着および着霜を抑制できた。

＜突起部間の距離と突起部長さ＞
実施例１〜４と比較例４を比較すると、比較例４では突起部間の距離は１０ｎｍ、突起部長さは１０μｍである。そのため、凝縮液滴が突起部３間の凹部に付着し、結露水吸着と着霜いずれの抑制度は小さくなった。

結果、突起部３間の距離は５ｎｍ以上１０ｎｍ未満であり、突起部長さは０．１μｍ以上１０μｍ未満であることが好ましい。

＜突起部の先端長さ＞
実施例１と比較例３を比較すると、突起部の３長さＬは同様であるが、比較例３では突起部３先端の長さＬ‘が突起部の３長さＬに対して３０％、実施例１では２０％である。
そのため、比較例３では凝縮水が吸着する面積が大きくなり、結露水吸着と着霜いずれの抑制度は小さくなった。

結果、突起部の先端長さＬ‘は突起部３の先端の長さＬ‘は突起部３の長さＬに対して１０％以上２５％以下であることが好ましい。

＜突起部が形成される角度＞
実施例１〜４と比較例５を比較すると、比較例５では突起部３が形成される角度θが鉛直方向に対して９０°を超えている。そのため、突起部３の親水部だけでなく突起部３全体に凝縮液滴が成長し、結露水吸着と着霜いずれの抑制度は小さくなった。

結果、突起部が形成される角度θは基材の形状関わらず鉛直方向に対して角度が９０°未満であることが好ましい。

＜表面処理＞
実施例１〜４と比較例１、２を比較すると、比較例２では突起部３の先端を除く部分および基底部２が撥水処理されていない。そのため、結露水吸着が確認できるまでの時間は比較例１に示す突起部を形成していない基材と変わらない。着霜に関しては比較例１よりも表面凹凸の量が大きいため、着霜が確認できるまでの時間は短くなった。

結果、突起部３の先端を除く部分および基底部２は撥水処理することが好ましい。

＜基材１のまとめ＞
以上、説明したように本発明の基材１は、基材１の表面が撥水処理され、断面が台形状で四角錐体の複数の突起部を有し、突起部間の距離が５ｎｍ〜１０ｎｍであり、突起部３の先端のみ親水処理されることを特徴とする。上記構成により、優れた防曇性・防霜性を得ることができる。

本願発明の基材１は、着霜および結露水を加熱装置を使用することなく除去できる。

＜応用例＞
本実施の形態の基材１の応用例の機器を図５（ａ）と図５（ｂ）に示す。

図５（ａ）は、実施の形態の基材１を冷蔵庫の蒸発器１８（熱交換器）へ適用した例である。蒸発器１８は、基材１と、冷却管１９とからなる。冷却管１９を複数の基材１を貫通して設けられている。液化された冷却剤が、冷却管１９内を流れる。蒸発器１８で、冷却剤を気化・膨張、させて吸熱する。

基材１を使用することで蒸発器１８に着霜がつきにくくなる。このことにより、冷却性能低下を抑制することができる。

図５（ｂ）は、実施の形態の基材１を屋外のカメラ２０へ適用した例である。屋外のカメラ２０は、カバーである基材１と、カメラ制御部２１と、カメラ本体２６とを含む。カメラ本体２６は、カメラ制御部２１の制御にて、撮影する。

カメラ本体２６は、カバーの基材１を介して、撮影する。基材１を使用することで雨天時や低温環境下でも、結露もしくは着霜を抑制でき、曇り防止ができる。

その他、エアコン、冷凍機などの熱交換器一般の機器に使用できる。カメラ一般に広く使用できる。また、窓ガラス、自動車ガラスなどガラス一般に使用できる。

本発明の基材は、結露水・着霜防止材料として利用できる。また、本発明の基材は、冷蔵庫、エアコン、冷凍機などの熱交換器を有する機器で使用できる。また、カメラ、メガネ、窓など水滴が付着する機器でも使用できる。

１ 基材
２ 基底部
３ 突起部
４ 親水部
５ 水蒸気
６ 凝縮液滴
７ 基材
８ 基底部
１０ ペルチェ素子
１１ アルミプレート
１２ 樹脂プレート
１３ ヒートシンク
１４ ファン
１５ 熱電対
１６ 熱電対
１８ 蒸発器
１９ 冷却管
２０ カメラ
２１ カメラ制御部
２２ 基材
２３ 基部
２４ 突起
２５ 疎水性被膜
２６ カメラ本体

Claims (7)

1. 基底部の少なくとも一つの面に位置する複数の四角錐状形状の突起部を有し、
   前記複数の突起部の先端部分間の距離が５ｎｍ以上１０ｎｍ未満である基材であり、
   前記突起部の先端は、親水処理され、
   前記先端は、前記突起部の上面と前記上面からの前記突起部の長さの１０％以上２５％以下までの領域である基材。
2. 前記突起部の長さは、０．１μｍ以上１０μｍ未満であり、
   前記突起部の側面の角度は、鉛直方向に対して角度が９０°未満で形成された請求項１記載の基材。
3. 前記突起部の先端以外は、撥水処理された請求項１または２記載の基材。
4. 前記撥水処理は、フッ素結合を含まないアルキルシランからなる分子膜によって構成された請求項３に記載の基材。
5. 前記複数の突起部は、陽極酸化法によるアルミ微細穴加工により形成される請求項１〜４のいずれか１項に記載の基材。
6. 前記複数の突起部は、エッチング処理あるいは金属ペーストのパターン印刷により形成される請求項１〜５のいずれか１項に記載の基材。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の前記基材を有する機器。

Images