作製コスト比較

本研究及び従来研究で用いられた表面構造のコストを概算し，作製コストに対するLFP を評価した (Fig. 3. 16)．なお，微細加工のコストはLawesら^[8]，水木ら^[9]のデータを参考 に計算した．Fig. 3. 16から，ナノ粒子塗布メッシュ壁面の作製コストは従来研究 ^[1,6,10]と 同程度であるが，LFPは37–175 °Cほど高い．一方，Farokhniaら^[11]が作製した壁面と比べ ると，LFPは80 °Cほど低いものの，作製コストは1/10000程度である．

75

(a) Present study (b) Seol et al.^[4s] (c) Tong et al.^[5]

nano-#120 Anodically oxidized zirconium TiO2 nanotube

Ts≈335 °C Ts = 363 °C Ts = 306 °C Ts = 300 °C

We = 1.5 We = 8.7 We = 45

t = 0 ms t = 1 ms t = 2 ms t = 3 ms t = 5 ms t = 6 ms

Fig. 3. 15 Sequential images of the drop impact on (a) nano-coated mesh, (b) anodically oxidized zirconium adapted from Seol et al.^[4], (c) TiO2 nanotube adapted from Tong et al.^[5]. The scale bars are 2 μm.

76

Fig. 3. 16 LFP in function of fabrication cost.

300

550

1 10 100 1000 10000 100000

LFP [ C]

Fabrication cost [ 10

$/mm

]

Present study Geraldi et al.

N. Farokhnia et al.

H. Kim et al.

T. Tran et al.

77 参考文献

[1] N. R. Geraldi et al.: Leidenfrost transition temperature for stainless steel meshes. Mater. Lett.

Vol. 176, pp. 205–208, 2016.

[2] H. M. Kwon, J. C. Bird, K. K. Varanasi: Increasing Leidenfrost point using micro-nano hierarchical surface structures. Appl. Phys. Lett. Vol. 103, 2013.

[3] S. H. Kim, H. Seon Ahn, J. Kim, M. Kaviany, M. Hwan Kim: Dynamics of water droplet on a heated nanotubes surface. Appl. Phys. Lett. Vol. 102, pp. 1–5, 2013.

[4] K. Seol, Ha, A. Ho, Seon, K. Joonwon, K. Moo, Hwan: DYNAMICS OF A WATER DROPLET ON THE HEATED SURFACE OF NANO- AND MICRO-STRUCTURES. in ICNMM2012-73316 Vol. pp. 1–10, (2012).

[5] W. Tong, L. Qiu, J. Jin, L. Sun, F. Duan: Unique lift-off of droplet impact on high temperature nanotube surfaces. Appl. Phys. Lett. Vol. 111, pp. 1–5, 2017.

[6] H. Kim, B. Truong, J. Buongiorno, L. W. Hu: On the effect of surface roughness height, wettability, and nanoporosity on leidenfrost phenomena. Appl. Phys. Lett. Vol. 98, pp. 2011–

2014, 2011.

[7] B. T. Ng, Y. M. Hung, M. K. Tan: Acoustically-controlled Leidenfrost droplets. J. Colloid Interface Sci. Vol. 465, pp. 26–32, 2016.

[8] R. A. Lawes: Manufacturing costs for microsystems/MEMS using high aspect ratio microfabrication techniques. Microsyst. Technol. Vol. 13, pp. 85–95, 2007.

[9] 水木一成: ポーラス陽極酸化アルミナ皮膜のAl 素地からのはく離と自立膜の作製. 表面 技術 Vol. 62, pp. 335–340, 2011.

[10] T. Tran, H. J. J. Staat, A. Prosperetti, C. Sun, D. Lohse: Drop impact on superheated surfaces.

Phys. Rev. Lett. Vol. 108, pp. 1–5, 2012.

[11] N. Farokhnia, S. M. Sajadi, P. Irajizad, H. Ghasemi: Decoupled Hierarchical Structures for Suppression of Leidenfrost Phenomenon. Langmuir Vol. 33, pp. 2541–2550, 2017.

4 章

結論

79

4. 結論

本研究では，安価かつ容易に作製できるマイクロ・ナノ構造により，LFPを効果的に向上 させることを目的とした．更に，加熱壁面での液滴衝突挙動を観察することで，LFP 向上 メカニズムを解明することを目指した．以下に本研究で得られた知見を述べる．

1. SEM観察から，ナノ粒子塗布メッシュ壁面はμmオーダの細孔に加え，nmオーダの 粗さを併せ持つマイクロ・ナノ構造であることを確認した．

2. ステンレス壁面と比較して，メッシュ壁面ではLFPが107–140 °C向上した．メッシ ュ壁面での LFP はワイヤ間距離に対して負の相関があることが分かった．また，従 来研究ではメッシュ壁面での衝突挙動が観察されていないため，衝突挙動の可視化を 行った．その結果，ワイヤ間距離につれてメッシュ–液滴間の接触面積が減少したこ とが分かった．これらから，LFP向上はメッシュ壁面が持つ細孔によって毛細管現象 が起こり，膜沸騰への遷移を阻害したことに起因すると考えられる．

3. ナノ粒子塗布メッシュ壁面では，実験系の限界温度まで加熱しても蒸発時間の極大点 が観察されず，LFPが少なくとも490 °Cまで向上し，従来研究に比べて高いLFPを 得た．また，衝突挙動の可視化では，液滴下部からsplashが発生した後，液滴は円盤 状に変形して跳ね上がる挙動が観察された．こうした爆発的挙動は衝突後極めて短い 時間 (t<1 ms)で発生した．また，従来研究から，爆発的挙動はナノ構造から発生した 蒸気泡に起因すると考えられる．

今後の課題としては，親水化処理の均一性の改善，爆発的挙動の抑制が挙げられる．

80 付録

▪ メッシュ壁面上でのコーティング回数と接触角変化

Fig. 4. 1 Contact angle in function of elapsed time.

0 10 20 30 40 50 60

30 60 90 120 150

C o n tact an g le [d eg ]

Elapsed time [s]

#120

nano-#120 (1time) nano-#120 (5 times) nano-#120 (10 times)

81

▪ メッシュ壁面上でのコーティング回数と表面性状の変化

(a) 200x (b) 1000x

(c) 10000x (d)20000x

Fig. 4. 2 SEM image on nano-coated #120 mesh (coated only 1 time) .

82

(a) 200x (b) 1000x

(c) 10000x (d)20000x

Fig. 4. 3 SEM image on nano-coated #120 mesh (coated 5 times).

83

▪ 実験装置の組立図，部品図

(a) Assembly drawing

(b) Part No. 6

84

(c) Part No. 13

(d) Part No. 14

Fig. 4. 4 Drawings of the experimental apparatus

85

We = 11.5 We = 22.2 We = 69.1 U⁰ = 0.67 m/s U⁰ = 0.93 m/s U⁰ = 1.64 m/s

D0/U0 > 1 ms D0/U0 ~ 1 ms

Fig. 4. 5 Sequential images of drop impact on nano-#120 mesh surfaces at various impact velovities. The surface temperature is Ts≈335 °C. Frame rate is 23000 fps. The scale bar is 1mm.