本研究では，伝熱面表面の濡れ性が液滴蒸発 及びプール沸騰に及ぼす影響 を調べた．酸化チタン薄膜を成膜した表面に紫外線を照射 し光励起親水化現 象により濡れ性を変えた伝熱面を 液滴蒸発実験に使用した．同様にプラズマ 照 射 装 置 を 使 用 す る こ と で 伝 熱 面 表 面 の 濡 れ 性 を 変 化 さ せ 液 滴 蒸 発 実 験 を 行った結果，以下のことがわかった．超撥水コーティングを施した伝熱面を 用いたプール沸騰試験により以下のことがわかった．
第 1 章では，濡れ現象は工業的に重要な要素であることを 説明し，一般的 に使われている濡れの程度を表す接触角について説明した．光励起親水化現 象 の メ カ ニ ズ ム お よ び プ ラ ズ マ 照 射 に よ る 濡 れ 性 改 善 の メ カ ニ ズ ム に つ い て記した．
第 2 章では，酸化チタンの光励起親水化現象を利用して液滴蒸発に及ぼす 接触角の効果を調べた ．初めに蒸発曲線全体を知るために直径 17mm の銅伝 熱面表面に 0.3mm の窪みを設け鏡面仕上げを施し，50°C~260°C までの広範な 温 度 領 域 で の 実 験 を 行 っ た ． こ の 実 験 に よ り ， 濡 れ 限 界 温 度 （TWL） と
Leidenfrost 温度（TLIED）は共に，接触角が低下するとともに上昇することが
確認された．
ス パ ッ タ リ ン グ 法 に よ り 平 面 伝 熱 面 に 酸 化 チ タ ン 薄 膜 を 厚 さ 250nm の TiO2層のみを付けたもの及び厚さ 250nm の TiO2層の上に，厚みが 5nm ある いは 20nm の SiO2層を設けた数種類の伝熱面を使用し，熱的性質を含めて接 触角以外の性質を一定にしたままで，接触角 4°, 13°~15°, 31°~34°, 82°~84°
の場合について液滴の蒸発実験を行った．実験は 2.16mm, 2.40mm, 2.66mm,
2.93mm の 4 種類の液滴直径で行った．この実験では，液滴直径が 2.40mm，
2.66mm，2.93mm のとき，濡れ限界温度（TWL）は接触角の減少とともに上
昇した．しかし液滴 直径 2.16mm のときは，濡れ限界温度は接触角 13°~15°
で極大値をとった．また，液滴 直径 2.66mm と 2.93mm の濡れ限界温度は接
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触角 82°~84°と 4°の間で 40K の差が見られた． 濡れ限界温度以下では，液
滴の蒸発時間は，接触角が低下するにつれて減少する．液滴径 2.93mm のと きを除いて，蒸発時間を体積で除すると，接触角毎に １つの曲線上でまとめ ることができる．
第3章では，金属表面の濡れ性を変化させるためにプラズマ照射装置を利用し た．銅，アルミニウム，ステンレスの3種類の金属に番号の異なるエメリー紙（#600，
#1000，#1500，#2000）と研磨剤（Mirror）で5種類の表面仕上げを施した．この 面にプラズマを照射し，照射時間と接触角の関係，その接触角の時間的変化を調 べた．3 種類の金属とも，エメリー紙 #600 で仕上げた表面に 120 秒間プラズマ を照射することで安定した小さい接触角（3°~10°）が得られた．3 種類の金属の 接触角が最も低くなるこの条件において，4種類の液滴直径（2.16mm，2.40mm，
2.66mm，2.93mm）での蒸発実験を行った．比較のためにプラズマを照射しない 面での蒸発実験も行った．プラズマを照射すると低温度域では，蒸発時間が大き く減少する．濡れ限界温度は接触角が小さいほど高くなるが，その上昇量は伝熱 面材質の違いによる上昇量に比べて小さいことがわかった．特に，接触角が濡れ 限界温度に与える影響について詳しく調べた．その結果，プラズマ処理は，金属 表面に対して濡れ性改善に有効であり，高温面の急速冷却への応用が期待できる ことがわかった．
第 4 章では，プール沸騰に及ぼす濡れ性変化の影響を調べ た．酸化チタン の 光 励 起 に よ る 超 親 水 性 現 象 を 伝 熱 面 に 利 用 す る こ と で 超 親 水 性 伝 熱 面 で のプール沸騰を行った．また，水との接触角が非常に大きい PTFE 分散超撥 水メッキを施し，全面超撥水伝熱面，格子状および斑点状超撥水伝熱面をプ ール沸騰実験に用いた．その結果，全面超撥水伝熱面では，低い伝熱面過熱 度において膜沸騰となる 一方で，格子状，斑点状超撥水伝熱面では低過熱度 域で熱伝達が良くなり，沸騰開始時のオーバーシュートが見られない． 斑 点状伝熱面では，超撥水加工直径が小さい方が熱伝達は良くなる．超撥水加 工 部 と 基 材 部 の 面 積 比 が 同 じ で あ れ ば パ タ ー ン の 違 い に よ る 熱 伝 達 の 差 は
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無く，またいずれも Berenson(62)の式とほぼ一致した沸騰曲線を示すことがわ かった．
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参考文献
(1) R. Wang, K. Hashimoto, A. Fujishima, M. Chik uni, E. Kojima, A. Kitamura, M.Shimohigoshi and T. Watanabe, “Light-induced Amphiphilic Surfaces”, Nature, Vol.388, No.6641, pp.431-432 (1997)
(2) Y. Takata, K. Tanaka, K. Kaijima, T. Ito, T. Watanabe, and M. Shimohigoshi,
“Enhancement of Boiling and Evaporation Heat Transfer by Superhydrophilic Photocatalyst”, Proceedings of the 6tthUK National Conference on Heat Transfer, Edinburgh, pp.323-328 (1999)
(3) Y. Takata, S. Hidaka, J. M. Cao, M. Masuda, T. Ito, T. Watanabe and M.
Shimohigoshi, “Boiling and Evaporation from a Superhydrophilic Surface”, Thermal Science and Engineering, Vol.8, No.6, pp.33 -41 (2000)
(4) John D. Bernardin and Issam Mudawar, A Cavity Activation and Bubble Grouth Model of the Leidenfrost Point, Transaction of the ASME, Journal of Heat Transfer, Vol.124, pp.864-874, October (2002)
(5) 戸田 三郎， ミス ト・クー リング に関 す る研究： 第 1 報， 噴霧 中の流れ に直角 な 高温小平 板によ るミ ス ト・クー リング 現象，日 本機械学 会論文 集（ 第 2部），Vol.38, No.307, pp.581-587 (1972)
(6) 戸田 三郎，ミスト・クーリングに関する研究：第 2報，高温面上の液
滴による液膜形成とその熱的挙動の基礎実験，日本機械学会論文集（第 2部），Vol.39, No.323, pp.2160-2171 (1973)
(7) 戸田 三郎，ミスト・クーリングに関する研究：第 3報，ミスト・クー
リングの理論―高熱負荷の高温面上に形成される液膜の熱的挙動，日本 機械学会論文集（第 2 部），Vol.39, No.323, pp.2173-2185 (1973)
(8) 戸田 三郎，ミスト・クーリングに関する研究：第 4報，ミスト・クー
リングの理論と実験の比較，日本機械学会論文集（第2部），Vol.39, No.323, pp.2186-2193 (1973)
143
(9) 戸 田 三 郎 ， ミ ス ト 冷 却 の 熱 伝 達 ， 伝 熱 工 学 の 進 展 Vol.3， 養 賢 堂 ， pp211-330 (1974)
(10) 庄司 ・涌永 ・児 玉・高 温加熱 面と 衝 突サブ クール 液滴 間 の熱伝 達： 非 ぬれ領域における伝熱特性，日本機械学会論文集（B 編），Vol.50, 451, pp.716-723(1984)
(11) 千 田・ 山 田 ・藤 本・ 三木 ，高 温壁 面 に衝 突す る液 滴の 熱 伝達 特性 に 関 する研究，日本機械学会論文集（B編），Vol.53, No.485, pp.176-182 (1987) (12) 稲田・宮坂・西田，加熱面に衝突する液滴の非定常熱伝達：第 1 報，
小液 接触 状 態に 及ぼ す液 滴サ ブ クー ル度 の影 響， 日 本機 械学 会論 文 集
（B編），Vol.51, No.463, pp.1047-1053 (1985)
(13) 稲田・西田・鳥羽・内田，加熱面に衝突する液滴の非定常熱伝達：第 2
報，加熱面温度変動に基づいた小液接触過程の検討，日本機械学会論 文 集（B 編），Vol.55, No.519, pp.3499-3506 (1989)
(14) S. Inada, W.-J. Yang, Effect of Heating Surface Materials on a Liquid-Solid Contact State in a Sessile Drop-boiling System, Trans. of the ASME, Journal of Heat Transfer, Vol.115, pp.222-230, February (1993)
(15) John D. Bernardin and Issam Mudawar, Film Boiling Heat Transfer of Droplet Streams and Sprays, Int. J. Heat Mass Transfer, Vol.40, No.11, pp2579 -2593 (1997)
(16) John D. Bernadin, Clinton J. Stebbins and Issam Mudawar, Mapping of Impact and Heat Transfer Regimes of Water Drops Impinging on a Polished Surface, Int. J. Heat Mass Transfer, Vol.40, No.2, pp249 -267 (1997)
(17) J. D. Bernardin and I. Mudawar, The Leidenfrost Point: Experimental Study and Assessment of Existing Models. Transactions of the ASME , Journal of Heat Transfer, Vol.121, pp.894-903, November (1999)
144
(18) John D. Bernardin and Issam Mudawar, Theoretically-Based Leidenfrost Point Model, Prceedings of the ASME Heat Transfer Division -2000, Vol.4, pp11-20 (2000)
(19) John D. Bernardin and Issam Mudawar, A Leidenfrost Point Model for Impinging Droplets and Sprays, Transaction of the ASME, Journal of Heat Transfer, Vol.126, pp.272-278, April (2004)
(20) B. S. Gottfried, C. J. Lee and K. J. Bell, The Leidenfrost Phenomenon: Film Boiling of Liquid Droplets on a Flat Plate, Int. J. Heat Mass Transfer, Vol.9, pp.1167-1187 (1966)
(21) L. H. J. Wachters, H. Bonne and H. J. van Nouhuis, The Heat Transfer from a Hot Horizontal Plate to Sessile Water Drops in the Spherodial State, Chemical Engineering Science, Vol.21, pp.923-936 (1966)
(22) Kenneth J. Baumeister, Robert C. Hendricks and Tohmas D. Hamill, Metastable Leidenfrost States, NASA TN D -3226, pp.1-15 (1966)
(23) Kenneth J. Baumeister, Tohmas D. Hamill and Glen J. Schoessow, A generalized Correlation of Vaporization Times of Drops in Film Boiling on a Flat Plate, Proceedings of the 3rd International Heat Transfer Conference Chicago, ASME, AIChE,7-12, pp66-73, Aug. (1966)
(24) Kenneth J. Baumeister and Glen J. Schoessow, Diffusive and Radiative Effects on Vaporization Times of Drops in Film Boiling, AIChe Symposium Series, Vol.69, No.131, pp.10-17 (1973)
(25) C. O. Pedersen, An Experimental Study of the Dynamic Behavior and Heat Transfer Characteristics of Water Droplets Impinging upon a Heated Sur face, Int. J. Heat Mass Transfer, Vol.13, pp.369-381 (1970)
(26) Itaru Michihasi and Kunihide Makino, Heat Transfer Charactristics of Evaporation of a Liquid Droplet on Heated Surface, Int. J. Heat Mass Transfer, Vol.21, pp.605-613 (1978)
145
(27) Tatsuhiro Ueda, Takashi Enomoto and Makoto Kanetsuki, Heat Transfer Characteristics and Dynamic Behavior of Saturated Droplets Impinging on a Heated Vertical Surface, Bulletin of the JSME, Vol.22, No.167 pp724 -732, May (1979)
(28) 西尾 茂文，Leidenfrost 系における固液接触過程に関する基礎的研究 ，
東京大学生産技術研究所報告, Vol.28, No.6, pp.1-44 (1980)
(29) S. Chandra and C. T. Avedisian, On the Collision of a Droplet with a Solid Surface, Proceedings: Mathematical and Physical Sciences, Vol.432, No.1884, pp.13-40 (1991)
(30) 閔・ 菊地， 単一 液滴の 高温面 に お け る蒸発 熱伝達 特性 ， 日本機 械学 会
論文集（B 編），Vol.58, No.551, pp.2206-2213 (1992)
(31) Natsuo Hatta, Hitoshi Fujimoto, Hirohiko Takuda, Kenji Kinoshita and Osamu Takahashi, Collision Dynamics of a Water Droplet Impinging on a Right Surface above the Leidenfrost Temperature, ISIJ Internatonal, Vol .35, No1, pp50-55 (1995)
(32) Humberto Chaves, Artur Michael and Frank Obermeier, Dynamic Processes Occurring during the Spreading of Thin Liquid Films Produced by Drop Impact on Hot Walls, International Journal of Heat and Fluid Flow, Vol.20, pp470-476 (1999)
(33) An-Bang Wang, Chih-Hung Lin and Chi-Chang Cheng, Pattern Analysis of a Single Droplet Impinging onto a Heated Plate, Heat Transfer -Asian Research, Vol.34, No.8, pp579-594 (2005)
(34) Gian Piero Celata, Maurizio Cumo, Andrea Mariani and Giuseppe Z ummo, Visualization of the Impact of Water Drops on a Hot Surface: Effect of Drop Velcity and Surface Inclination. Heat mass Transfer, Vol.42, pp885 -890 (2006)
146
(35) Anne-Laure Biance, Christophe Clanet and David Quere, Leidenfrost Drops, Physics of Fluid, Vol.15, No.6, pp1632-1637, June (2003)
(36) Heng Xie, Zhiwei Zhou, A Model for Droplet Evaporation near Leidenfrost Point, Int. J. of Heat and Mass Transfer Vol.50, pp5328 -5333 (2007)
(37) 鴨志田・一色，プール沸騰への気泡接触角，第 39 回日本伝 熱シンポジウム講演論文集, pp705-706 (2002)
(38) M. Maracy and R. H. S. Winterton, Hysteresis and Contact Angle Effects in Transition Pool Boiling of Water, Int. J. Heat Mass Transfer, Vol.31, No.7, pp.1443-1449 (1988)
(39) Shif-Pin Liaw and V. K. Dhir, Effecr of Surface Wettability on Transition Boiling Heat Transfer from a Vertical Surface, 8th IHTC, Vol.4, pp2031-2036 (1988)
(40) 庄司 ・張， 接触 角のヒ ステリ シス に 関する 研究（ 沸騰 に おける 加熱 面
のぬれの問題に関して），日本機械学会論文集（B 編）, Vol.58, No.550, pp1853-1859 (1992)
(41) Masahiro Shoji and Xiao Yi Zhang, Study of Contact Angle Hysteresis (In Relation to Boiling Surface Wettability), JSME International Journal Series B, Vol.37, No.3, pp560-567 (1994)
(42) 庄司 正弘 ，ぬ れ性― その評 価方 法 と熱流 体現象 にお け る重要 性― ，
第 39 回日本伝熱シンポジウム講演論文集，pp572-573 (2002)
(43) 賞雅 ・今井 ・斑 目・岡 本・三 島・ 植 松，放 射線触 媒に よ る熱特 性の 改
善（第 1 報 半導体皮膜材料表面の液滴接触角，第 38 回日本伝熱シン ポジウム講演論文集，pp599-600 (2001)
(44) 今井 ・賞雅 ・岡 本・小 川・三 島・ 植 松，放 射線触 媒に よ る熱特 性の 改
善（第 2 報 半導体皮膜材料表面のライデンフロスト温度），第 38 回日 本伝熱シンポジウム講演論文集，pp601-602 (2001)
147
(45) 今井 ・賞雅 ・岡 本・小 川・三 島・ 植 松，放 射線触 媒に よ る熱特 性の 改
善（第 3 報 酸化チタン皮膜材料の限界熱流束），第 38 回日本伝熱シン ポジウム講演論文集，pp603-604 (2001)
(46) 賞雅 寛而，コバルト 60 照射施設における伝熱現象，Jour. HTSJ, Vol.42,
No.177, pp9-13 (2003)
(47) 高田・日高・山本・増田・伊藤・渡部，超親水表面における液滴の蒸発，
第 38 回日本伝熱シンポジウム講演論文集，G123 (2001)
(48) 高田 ・日高 ・ 山 本 ・中 村 ・ 増 田 ・ 伊 藤， 液 滴の蒸 発に 関 する接 触角 の 効果（光励起超親水化現象を用いた接触角の制御），日本機械学会論文 集（B 編）68巻 671号（2002）
(49) 日高・高田・伊藤，プラズマ照射による接触角の変化と液滴の蒸発, 熱工学
講演会講演論文集，B219 (2001)
(50) 日高 ・高田 ・ 山 本 ・山 下 ・ 伊 藤 ， プ ラズマ 照射し た金 属 表面の 濡れ 性
改善と液滴蒸発，日本機械学会論文集（B編）69 巻 678 号 (2003)
(51) 日高・山本・高田，超撥水表面における沸騰，第 40 回伝熱シンポジウ
ム講演論文集，pp135-136 (2003)
(52) 日高 ・河野 ・高 田，超 撥水メ ッキ 複 合伝熱 面にお ける 沸 騰，熱 工学 コ
ンファレンス講演論文集 pp129-130 (2004)
(53) T. Young, “An essay on the cohesion of fluids”, Philosophical Transactions of the Royal Society of London, 95, 65, (1805).
(54) R. N. Wenzel, “Resistance of solid surfaces to wetting by water”, Industrial and Engineering Chemistry, 28, 988, (1936)
(55) A. B. D. Cassie and S. Baxter, “Wettability of porous surfaces”, Transactions of the Faraday Society, 40, 546, (1944)
(56) A. Fujishima and K. Honda, Nature, Vol.238, No37 (1972) (57) 坂田・川合，“有機化学”, Vol.32, No.589 (1981)
148
(58) 橋本・藤島，“酸化チタンのすべて－抗菌・防汚・空気正常化のために
－”，シーエムシー (1998)
(59) 渡辺 隆行，“プラズマとは”，溶射技術 Vol.19, No.1, pp45-52 (1996)
(60) 水町・小野，“接着剤と接着技術入門”，日刊工業新聞社 (1999)
(61) 中前・水町・浦濱，“接着・粘着の化学と応用”，大日本図書 (1998)
(62) P. J. Berenson, Int. J. Heat Mass Transfer vol.5, pp985 -999 (1962)
(63) 藤田 恭伸 ら， 核沸騰 熱伝達 に及 ぼ す表面 粗さの 影響 に 関する 研究 ，
日本機械学会論文集（B 編）48巻 432号 (1982)
(64) 鳥飼，山崎，ぬれ難い面の沸騰伝熱，日本機械学会（第 2部）32 巻 242
号 (1966)
(65) 安川 幸雄，狭い濡れ難い面をおおって単気ほうが成長するときの沸騰
熱伝達，日本機械学会（B編）46 巻 401 号 (1980)
(66) P. K. Young, R. I. Hummel, “Improved nucleate boiling heat transfer”, Chemical Engineering Progress Vol.60, No.7 (1964)
(67) 伝熱工学資料（改訂第４版）日本機械学会
(68) Kutateladze S. S., Schhneiderman L. L. “Experimental study of the influence of the temperature of a liquid on a change in the rate of boiling ”, AEC-tr-3405 (1953)
(69) Zuber N., Tribus M., Westwater J. W “Hydrodynamic crisis in pool boiling of saturated and subcooled liquid”, Int Heat Transfer Conf., Boulder No. 27, 230 (1961)
(70) 清川 肇，“超撥水めっき技術”，清川メッキ工業株式会社
149