JP2008164279A - 改良された濡れ性を有する物品 - Google Patents

Abstract

【課題】高い液濡れ性を有する耐久性のある表面を備える物品を提供すること。
【解決手段】改良された濡れ性を備えた表面を有する物品が提示される。１つの実施形態は、液相から気相への相変態を促進するように構成された表面（１１０）を有する物品（３００）である。物品（３００）は蒸気に変換されるべき液体と接触しているように配置された表面（１１０）を含む要素（１３０）を備え、この表面（１１０）は比率ｂ／ａが最大で約８であるようなメジアンフィーチャサイズａ、およびメジアンフィーチャ間隔ｂを有する複数の表面フィーチャ（１２０）を備える。表面（１１０）は前記液体に接触するように配置された材料を備え、この材料は前記液体の一滴について最大で約８０°の公称接触角を生成するのに十分な公称濡れ性を有する。他の実施形態は、上述のように構成された表面（１１０）を備える原子炉用の燃料棒（４００）である。
【選択図】図２

Description

本発明は、改良された濡れ性を有する物品に関する。詳細には本発明は、液体によって表面の濡れ性の増加を促進するように巧みに設計された表面を有する物品に関する。

固体表面の「液濡れ性」または「濡れ性」は、その表面とその表面上に配置された所与の液体の一滴との間に起る相互作用の性質を観察することによって測定される。液体について高い濡れ性を有する表面は、その滴がこの表面の比較的広い面積にわたって広がることを可能にする傾向がある（それによって表面を「濡らす」）。極端な場合には、液体は広がって表面にわたって膜になる。一方、表面が液体について低い濡れ性を有する場合、この液体は良好に形成されたボール形状の滴を維持する傾向がある。極端な場合には、液体は表面上に球状の滴を形成し、この球状の滴は最も僅かな外乱で表面から容易に転がって行く。

液体が固体表面を濡らすことができる程度は、どの程度その液体および固体が相互に作用するかを測定する際に重要な役割を果たす。例示として、いわゆる「親水性」材料は水が存在する状態で比較的高い濡れ性を有し、固体表面にわたって水を高度にシート状にすることになる。高度の濡れ性は、液体−固体接触が比較的大きな面積になり、例えば、接着剤塗布およびコーティング塗布、一定の医療デバイス用途、ならびに沸騰熱伝達機構または蒸発熱伝達機構を伴う用途などの、２つの表面の間で多量の相互作用が有益である分野において望ましい。

実際に、表面の濡れ性を増加させる技術は、接触する流体に表面活性剤を添加することを必要とすることが多い。しかし多くの用途において、流体に表面活性剤を添加することは困難であり、またはほとんど不可能である。したがって、高い液濡れ性を有する耐久性のある表面を備える物品を提供する必要がある。
米国特許出願第１１／２０６，５６５号 米国特許第４，３１２，０１２号 米国特許第４，７６７，４９７号 米国特許第４，８４６，２６７号 米国特許第５，６９７，４３０号 米国特許第６，２９９，９８１号 米国特許第６，６４１，７６７号 米国特許第７，０２２，４１６号 米国特許出願第２００２／００３３３７９号 米国特許出願第２００４／０００３６１９号 米国特許出願第２００６／００２９８０８号 米国特許出願第２００６／００４０１６４号 米国特許出願第２００６／０１１０６０５号 米国特許出願第２００６／０２１６５７１号 特許第２００３０９０８９２号 特許第２００５０４９１３４号 特許第２００５２４９５７７号 特許第２００５０４９０９９号 特許第２００５０４９１６１号 Ｚａｃｈａｒｙ Ｂｕｒｔｏｎ ａｎｄ Ｂｈａｒａｔ Ｂｈｕｓｈａｎ，"Ｈｙｄｒｏｐｈｏｂｉｃｉｔｙ，Ａｄｈｅｓｉｏｎ，ａｎｄ Ｆｒｉｃｔｉｏｎ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ Ｎａｎｏｐａｔｔｅｒｎｅｄ Ｐｏｌｙｍｅｒｓ ａｎｄ Ｓｃａｌｅ Ｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅ ｆｏｒ Ｍｉｃｒｏ−ａｎｄ Ｎａｎｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ"，Ｎａｎｏ Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．５，Ｎｏ．８，（２００５），１６０７−１６１３

本発明の実施形態はこれらのおよび他の要望を満たすものである。１つの実施形態は、液相から気相への相変態を促進するように構成された表面を有する物品である。この物品は蒸気に変換されるべき液体と接触しているように配置された表面を備える要素を備え、この表面は比率ｂ／ａが最大で約８であるようなメジアンフィーチャサイズａ、およびメジアンフィーチャ間隔ｂを有する複数の表面フィーチャを備える。この表面は液体に接触するように配置された材料を含み、この材料は液体の一滴について最大で約８０°の公称接触角を生成するのに十分な公称濡れ性を有する。特定の実施形態では、この液体は水である。

別の実施形態は核燃料物質を取り囲むクラッディング部分を備える原子力炉用の燃料棒であり、前記クラッディング部分は燃料棒上を流れまたはその上へ衝突する液体と接触しているように配置された表面を備え、この表面は比率ｂ／ａが最大で約８であるようなメジアンフィーチャサイズａ、およびメジアンフィーチャ間隔ｂを有する複数の表面フィーチャを備え、前記表面は前記液体に接触するように配置された材料を含み、この材料は前記液体の一滴について最大で約８０°の公称接触角を生成するのに十分な公称濡れ性を有する。

本発明のこれらのおよび他の特徴、態様、および利点は、次の詳細な説明を、添付図面を通じて同じ文字符号は同等の部分を示すこの添付図面を参照して読むとよりよく理解されるよう。

次の説明において同じ参照符号は、図に示すいくつかの図形を通じて同等または対応する部分を表す。また、「頂部」、「底部」、「外側の」、「内側の」等のような用語は、便宜上の単語であり、限定する用語として解釈されるべきではない。さらに、本発明の特定の特徴が、それのグループおよび組合せのいくつかの要素のうちの少なくとも１つを含み、またはそれの少なくとも１つから成ると言われる場合には、この特徴は、個々に、またはそのグループの他の要素のうちのいずれかとの組合せでこのグループの要素のうちのいずれかを含み、またはそのうちのいずれかから成り得ることが理解される。

図面全体を、特に図１を参照すると、この例示は本発明の特定の実施形態を説明するためであり、本発明をそれに限定することを意図するものではないことが理解されよう。図１は本発明の物品の表面の概略断面図である。物品１００は、基準液（図示せず）によって表面１１０の改良された濡れ性を促進するように構成された表面１１０を有する。

表面の液濡れ性について一般に受け入れられる１つの評価の基準は、表面と小滴との間の接触点において、その表面と基準液の小滴の表面への接線との間に形成される静的接触角の値である。この接触角が低い値であると表面上の基準液に対して高い濡れ性を示す。基準液は関心のあるいかなる液体でもよい。多くの用途においてこの基準液は水である。他の用途では、この基準液は、例えば、油、石油、ガソリン、有機溶媒、その他のような少なくとも１つの炭化水素を含む液体である。濡れ性は基準液の表面張力に一部は依存しているので、所与の表面は異なる液体に対して異なる濡れ性を有することができる（したがって、異なる接触角を形成する）。

表面１１０は複数の表面フィーチャ１２０を含む。フィーチャ１２０のサイズ、形状、および配向は表面１１０の濡れ性に強力な効果を有し、本発明の実施形態では、これらのパラメータは表面１１０が高い液濡れ性を有するように選択される。この選択は液体と粗い固体表面の相互作用の基礎になる物理学に基づくものである。

フィーチャ１２０のサイズはいくつかの方法で特徴づけられ得る。図２に示すようにいくつかの実施形態では、複数のフィーチャ１２０の少なくとも部分集合が物品１００から突出する。そのうえ、いくつかの実施形態では、複数のフィーチャ１２０の少なくとも部分集合は、物品１００内に配置された複数の空洞２００である。フィーチャ１２０は高さ寸法（ｈ）２１０を含み、この高さ寸法（ｈ）２１０は突出するフィーチャ２２０の高さを表し、空洞２００の場合には空洞が物品１００の中に延在する深さを表す。さらにフィーチャ１２０は幅寸法（ａ）２３０を含む。この幅寸法の正確な性質は、フィーチャの形状に依存するが、このフィーチャが物品の表面に配置された液体の一滴に自然に接触することになる点においてフィーチャの幅であるように規定される。フィーチャ１２０の高さおよび幅のパラメータは、表面１１０上で観察される濡れ挙動について重要な効果を有する。

非常に多くの種類のフィーチャの形状がフィーチャ１２０として使用するのに適している。いくつかの実施形態では、フィーチャ１２０の少なくとも部分集合が、立方体、直角プリズム、円錐体、円筒体、ピラミッド、台形プリズム、および半球体もしくは他の球状部分から成るグループから選択された形状を有する。これらの形状はフィーチャがペデスタルなどの突出部２２０であれ、溝または細孔などの空洞２００であれいずれにせよ適している。１つの実施例として特定の実施形態では、フィーチャの少なくとも部分集合がナノワイヤを含み、このナノワイヤは数１０ナノメートル以下に拘束された横方向サイズ、および拘束のない長手方向サイズを有する構造である。様々な材料のナノワイヤを作る方法が当業界でよく知られており、例えば基板の上への化学蒸着法を含む。ナノワイヤは物品１００上に直接に成長させることができ、あるいは分離した基板上に成長させることができ、その基板から除去され（例えば、超音波照射処理を使用することによって）、溶媒内に配置され、物品表面上へ溶媒を配置することによって物品１００の上へ移され、この溶媒を乾燥することができる。

フィーチャの配向は、本発明の実施形態により表面濡れ性を巧みに設計する場合にさらなる設計上の考慮事項である。フィーチャの配向の１つの重要な態様はフィーチャの間隔である。図２を参照するといくつかの実施形態では、フィーチャ１２０は、間隔寸法（ｂ）２５０によって特徴づけられる離間した関係に配置される。間隔寸法２５０は、２つの最も近い隣接するフィーチャの縁の間の距離として規定される。

いくつかの実施形態では、複数のフィーチャ１２０のすべてがランダムでない分布に配置される。いくつかの場合には、フィーチャ１２０はｈ、ａ、および／またはｂについて実質的にそれぞれ同一の値を有する（「規則正しい配列」）が、これは一般的な必要条件ではない。例えば、複数のフィーチャ１２０は、例えばサイズ、形状、および／または配向についてランダムな分布を示すナノワイヤなどのフィーチャの集合であることができる。ある実施形態ではさらに、複数のフィーチャは、ｈ、ａ、ｂ、またはそれらの任意の組合せに関してマルチモーダル分布（例えば、２つのモードをもった分布、または３つのモードをもった分布）によって特徴づけられる。この種の分布は有利なことに、滴のサイズの連なりが遭遇する環境に改良された濡れ性を形成し得る。したがって、濡れ性についてのｈ、ａ、およびｂの効果の評価は、これらのパラメータの分布の性質を考慮に入れることによって最もよく行われる。確率分布を表す変数を用いて解析を行うための、モンテカルロシミュレーションなどの技術が当業界でよく知られている。この種の技術は、本発明の物品において使用するためにフィーチャ１２０を設計する際に適用され得る。

表面１１０は液体に接触するように配置された材料から作られ、この材料は液体の一滴について最大で約８０°の公称接触角を生成するのに十分な公称濡れ性を有する。本明細書において使用するように、「公称接触角」とは、基準液の一滴が材料の平坦で滑らかな表面上に配置される場合に測定された静的接触角を意味する。この公称接触角は材料の「公称濡れ性」の測定値であり、表面の「有効濡れ性」と対比されることができ、この有効濡れ性は、表面１１０に上述のようなフィーチャ１２０などのテクスチャが設けられた後に表面１１０に対して測定された濡れ性である。一般に、低い公称接触角を有する材料を使用すると、表面フィーチャ１２０の所与の配置に対して低い有効接触角になる。ある実施形態では、公称接触角は最大で約７０°であり、特定の実施形態では、公称接触角は最大で約６０°である。

様々な材料が、比較的に高い公称濡れ性についてこれらの要望を満たす。いくつかの実施形態において、材料は、鉄、チタニウム、銅、ジルコニウム、アルミニウム、およびニッケルから成るグループから選択された要素を含む金属などを含む。一定の実施形態では、材料は本質的に完全に金属である。他の実施形態では、材料は、チタニウム酸化物、シリコン酸化物、およびジルコニウム酸化物によって典型的に表される酸化物などのセラミックを含む。材料は物品１００上に配置された被覆として存在することができ、あるいはフィーチャ１２０はこの材料から作られ得る。例えば一定のポリマー材料などの非常に親水性の材料に優しい他のものが、本発明の実施形態に使用され得る。しかし、大部分のポリマーの熱伝導性は低いので、一定の用途で使用するのにこのポリマーを魅力のないものとすることがあり、したがって、いくつかの実施形態では表面１１０は本質的にポリマー材料でない。

本発明の発明者は、上述の表面パラメータの特定の範囲および組合せが、表面１１０の有効濡れ性が表面１１０を形成するのに使用される材料の公称濡れ性のそれを大きく超えた値まで押しやられ得る領域を形成することを見出した。例えば一定の実施形態では、表面は、基準液の一滴について最大で約１５°の有効接触角を生成するのに十分な有効濡れ性を有する。いくつかの場合には、この有効接触角はゼロ近くまで小さくされ得ることが示された。

本発明の実施形態では、表面１１０は比率ｂ／ａが最大で約８であるようなメジアンフィーチャサイズａ、およびメジアンフィーチャ間隔ｂを有する複数の表面フィーチャ１２０を備える。特定の実施形態ではｂ／ａは最大で約６であり、一定の実施形態では最大で約３である。ｂ／ａがより小さいと、より密接した間隔をおくフィーチャを示し、これらのフィーチャがより密接した間隔をおくにつれて、表面１１０の表面積は大きくなり液体に対してより多くの接触面積を形成する。しかしいくつかの状況では、一部は製作方法の制限により、いかにフィーチャが密接した間隔をおくことができるかについて実用的な下限がある。そのうえ一定の用途では、フィーチャ１２０をあまりにも互いに密接した間隔とすると、各フィーチャ１２０の間の面域を濡らすことなく液体の滴が各フィーチャの間に浮遊する状況を生じることがある。このような状態は有効な濡れ面積を減らすことになる。したがって、いくつかの実施形態では、ｂ／ａは少なくとも約０．５であり、いくつかの場合には少なくとも約２である。特定の実施形態では、ｂ／ａは約０．５から約６の範囲にあり、一定の実施形態ではｂ／ａは約２から約４の範囲にあるが、本明細書において説明した端点パラメータ内の任意の範囲は、特定の用途に適切であり得る。

また、フィーチャ１２０の縦横比（ｈ／ａ）も表面１１０の有効な濡れ挙動を決定する際にある役割を果たす。一般に、高い縦横比（少なくとも約１でありいくつかの状況では少なくとも約４などの）は、縦横比が大きくなると表面積が大きくなるので望ましい。例えば核燃料棒によって経験されるタイプなどのいくつかの高温熱伝達分野の条件では、高い縦横比（ｈ／ａが少なくとも約４である）のフィーチャは約０．５から約６の範囲内にｂ／ａを与えるように寸法取りされ、間隔をおいて配置されることが望ましい。パラメータ値のこの組合せにより、小滴に衝突することによって、または流れる液膜によって熱伝達を最大化する表面が形成される。

上に述べたように、いくつかの実施形態では、複数のフィーチャの少なくとも部分集合は、物品１００に配置された、例えば細孔などの複数の空洞２００である。液体と空洞を有する表面との間の相互作用を解析することによって、本発明の発明者は、表面１１０の濡れ性が改良されることになる一定のテクスチャのパラメータの組合せを発見した。図３（表面フィーチャが細孔であり、表面材料の公称接触角が約６０°であり、基準液が水である場合の典型的な解析の結果）は、縦横比（ｈ／ａ）が０．２５以下の場合には表面の濡れ性に関して少しの改良もなく、低下さえあり得ることを示唆する。したがって、いくつかの実施形態では、空洞の縦横比は０．２５よりも大きい。図３は、細孔の縦横比が大きくなるにつれて、非常に低い濡れ性を維持しながら空洞の相対間隔がより大きくなり得ることを示す。例えば図３によれば、ｈ／ａが約１の場合には最大で約１のｂ／ａが非常に低い接触角を規定し、約３のｈ／ａの場合には最大で約６のｂ／ａが非常に低い接触角を規定する。いくつかの実施形態ではｈ／ａは少なくとも約１であり、特定の実施形態ではｈ／ａは少なくとも約３である。

いくつかの実施形態では、空洞は複数の溝を含む。図４（表面フィーチャが溝であり、表面材料の公称接触角が約６０°であり、基準液が水である場合の典型的な解析の結果）は、縦横比（ｈ／ａ）が０．５以下の場合には表面の濡れ性に関して非常に僅かな改良しかないことを示唆する。いくつかの実施形態では、ｈ／ａは少なくとも約０．５である。上述した細孔についての状況と同様に、溝の縦横比が大きくなるにつれて、低い接触角を形成し得ることが望ましい相対間隔の範囲が大きくなる。いくつかの実施形態ではｈ／ａは少なくとも約１であり、特定の実施形態ではｈ／ａは少なくとも約３である。

空洞について上述した傾向（非常に低い接触角を与えるｂ／ａの範囲が表面フィーチャの縦横比が大きくなるにつれて拡張する）は、また、フィーチャ１２０が突出部である場合にも当てはまることが見出される。この傾向は図５に示される。

フィーチャ１２０はいくつかの方法によって物品１００に製作され設けられ得る。いくつかの実施形態では、フィーチャ１２０は直接に表面１１０に製作される。他の実施形態では、フィーチャ１２０は分離して製作され、次いで物品１００の上へ配置される。物品１００の上へのフィーチャ１２０の配置は、個々にフィーチャ１２０を取り付けることによって行うことができ、またはこのフィーチャは、シート、金属薄片、または他の適切な媒体上に配置されることができ、次いでこの媒体は物品１００に取り付けられる。いずれの場合の取り付けも、溶接、鑞付け、機械的な取り付け、またはエポキシ樹脂もしくは他の接着剤による接着剤取り付けなどの（しかしこれらに限定され得ない）任意の適切な方法によって実現され得る。

フィーチャ１２０の配置は、表面から材料を除去することによって、または配置と除去の両方の組合せによって物品の表面の上へ材料を配置することによって実現され得る。材料を追加しまたは表面から材料を除去する多くの方法が当業界で知られている。例えば、研削、グリッドブラスト、ショットピーニングなどの機械的な作業による表面の簡単な粗面化が、適切な媒体／ツーリングおよび表面材料が選択される場合には適切であることがある。一般に、この種の作業は表面上にランダムに配向されるフィーチャの分布を生じ、フィーチャのサイズスケールは材料の除去作業に使用される媒体および／またはツーリングのサイズに大きく依存するであろう。改良された濡れ性を促進する表面の一般的な粗面化は以前に説明されている。例えば、米国特許出願第１１／２０６、５６５号を参照されたい。しかし、本発明の一定の実施形態では、改善された濡れ性能を与えるためにフィーチャ１２０の相対間隔および縦横比などの特定のパラメータについて管理を必要とする。このパラメータの範囲およびそれの組合せの大多数は、例えばグリッドブラストなどの伝統的に説明された粗面化プロセスの使用によって実現することが非常に困難であり、または不可能である。

リソグラフィ法が、一般に、金属表面を含めてエッチング可能な表面の上に表面フィーチャを作るのに使用される。フィーチャの規則正しい配列がこれらの方法によって形成され得る。また、これらの技術によって得られるフィーチャのサイズの下限は、適用される特定のリソグラフィプロセスの分解能によって限定される。しかし一般に、リソグラフィ法および他のエッチング法は、「アンダーカットする」ためにすなわち横方向ならびに垂直方向にエッチングする傾向のために、いくつかの金属表面に高い縦横比のフィーチャを形成するのに十分に適するものではない。

また一般に、電気めっき法も表面にフィーチャを追加するのに使用される。導電性表面は、フィーチャが配置されるべき面域に露出するようにパターン化された配列でマスクされることができ、このフィーチャはめっきすることによってこれらの露出された領域に築き上げられ得る。この方法により、エッチング技術によって通常実現されるものよりもより高い縦横比を有するフィーチャを作ることが可能になる。特定の実施形態では、マスキングは、十分に管理された細孔サイズを有する陽極酸化アルミニウム酸化物（ＡＡＯ）テンプレートを使用することによって実現される。材料は、細孔を通して基板の上へ電気めっきされ、次いでＡＡＯテンプレートは選択的に除去される。例えば、このプロセスは、一般に、ナノロッドなどの高い縦横比のフィーチャを作るために当業界で適用されている。金属および金属酸化物のナノロッドは、一般に知られた処理を用いて配置されることができ、さらにこれらの材料は、炭化物などの様々なセラミック材料を形成するように（例えば、浸炭によって）処理される。以下により詳細に説明するように、コーティングまたは他の表面改質技術は、よりよい濡れ性の特性をさらに実現するようにフィーチャに適用され得る。

レーザマイクロマシニング（一般に、例えばシリコンおよびステンレス鋼に使用される）ならびにエッチング技術（例えば、一般にシリコンに使用されるもの）などのマイクロマシニング技術もまた適切な方法である。この種の技術は空洞（レーザ穿孔におけるように）ならびに突出するフィーチャを形成するのに使用され得る。複数のフィーチャ１２０が空洞２００を含む場合、いくつかの実施形態では、物品１００は例えば陽極酸化金属酸化物などの多孔質材料を含む。陽極酸化アルミニウム酸化物は多孔質材料の特別な例であり、この多孔質材料はいくつかの実施形態で使用するのに適切であり得る。通常、陽極酸化アルミニウム酸化物は円柱状の細孔を含み、直径および縦横比などの細孔パラメータは、金属層を変換して多孔質金属酸化物層にする当業界でよく知られたプロセス管理を用いて、陽極酸化プロセスによって厳密に管理され得る。

要するに、当業界で一般に知られたいくつかの配置プロセスまたは金属除去プロセスのいずれもが、表面にフィーチャを形成するのに使用され得る。上述のように、フィーチャは物品１００の上へ直接にあてがうことができ、あるいは基板にあてがわれ次いでこの基板は物品１００に取り付けられる。

本発明の実施形態は、熱伝達分野に、特に蒸発熱伝達または沸騰熱伝達を含むそれらの分野において特に使用することができる。沸騰熱伝達分野でのテクスチャ付き表面の使用が以前に説明されたが、これらの以前に説明された分野でのテクスチャの機能は、一般に、沸騰プロセスの間に形成される気泡について核形成サイトを与えることであった。これと対照的に、本明細書において説明するテクスチャ付き表面の機能は、液体によって表面の濡れ性を改良することである。この機能の相違の結果として、表面１１０上のフィーチャ１２０のサイズ、形状、および配向は気泡核形成を高めるために説明したものと相違する。例えば米国特許第４、３１２、０１２号では、表面は沸騰液により完全な濡れを妨げるように設計され、その結果気泡核形成を高めることができる。さらに米国特許第４、７６７、４９７号では、サブミクロンサイズのフィーチャ（窪み）が気泡核形成および凝魁形成の懸念により望ましくないとして説明される。本発明の実施形態では、サブミクロンサイズのフィーチャ１２０の使用は、ｂ／ａおよびｈ／ａについて要求される比率を満足する限り多くの分野に適切であり得る。他の実施形態では、ａおよびｂのうちの少なくとも１つが約１００マイクロメートルより小さく、例えば約５０マイクロメートルより小さい。

したがって図６に示すように、本発明の１つの実施形態は、液相から気相への相変態を促進するように構成された表面１１０を有する物品３００である。物品１００は上述のように表面１１０を有する要素１３０を含む。いくつかの実施形態において物品３００は、例えば熱脱塩システムの蒸発器のようなボイラまたは蒸発器である。この種の装置の一般的な構成は当業界でよく知られており、本明細書において詳細には説明しない。しかし例示する目的のために、図６は、このタイプの典型的な用途において、第１の液体１８０の蒸発または沸騰が表面１１０のところで起りそれによって要素１３０の温度を低下させるように、表面１１０が配置されることを示す。いくつかの実施形態では、第２の液体１４０（要素１３０の対向する表面１５０と熱接触しているが、表面１１０と接触している任意の液体から分離が保たれる）は冷却された要素１３０への熱伝達により冷却され得る。第１の液体１８０によって表面１１０の濡れ性が改良されるので、第１の液体１８０の蒸発がより効果的に生じ、より多くの表面積が液体の所与の容積により接触され、結果としてより薄くてより容易に蒸発される液体層になる。要素１３０は、蒸発により熱伝達を促進する装置、または他の実施形態では沸騰により熱伝達を促進する装置のいかなる熱伝達要素であってもよい。

図７に示すように、本発明の１つの特定な実施形態は原子力炉用の燃料棒４００である。この種のシステムでは、垂直に配向された燃料棒バンドルから成る炉心に含まれた核燃料が水を沸騰させるのに十分な熱を発生し、それによって電気を発生する蒸気タービン装置を駆動することができる蒸気を生ずる。燃料クラッディング表面の改良された濡れ性によりバンドル限界出力または最大熱出力を増大さることができ、この出力をバンドルは、燃料表面上のいくらかの部位が水膜冷却で消耗される前に所与の冷却流の入口状態、すなわち「沸騰遷移」または「ドライアウト」として知られる状態で生ずることができる。さらに小滴の衝突によって表面の濡れ性が改良されると、「ポスト沸騰遷移」または「ポストドライアウト」の事象の間に燃料棒から冷却剤へ有効な熱伝達が促進される。この種の事象は、作動中の遷移の間、または緊急炉心冷却（ＥＣＣ）システムが作動する事故の間に起り得る。燃料クラッディング表面の濡れ性が増加すると、表面の濡れ性を増加することによって、ならびに衝突する小滴の下の方から蒸気の漏出用の径路を形成することによってこれらの状況における熱伝達が促進され得る。これはまた、小滴の再濡れ温度限界、または衝突する小滴が表面を効果的に濡らし得る最大温度（「ライデンフロスト温度」として知られることがある）の増加になり得る。

本発明の実施形態によれば、棒４００は燃料ペレット４３０を取り囲むクラッディング部分４２０を備える。いくつかの実施形態では、クラッディングはジルコニウム含有合金などの金属である。以前に説明したように表面１１０はクラッディング部分４２０に配置され、その結果棒４００と棒４００上を流れまたはその上へ衝突する液体との間の接触は表面１１０のところで生じる。１つ実施形態では、表面フィーチャ１２０（図１）を含む表面１１０は棒全体に配置され、他の実施形態では、表面フィーチャ１２０を含む表面１１０は棒４００の特定の部位にだけ配置される。例えば、沸騰水型原子炉炉心の燃料棒に沿った水の流れは遷移を経て環状流領域になり、ここで蒸気は連続媒体になり、液体水はバンドルの固体表面すべての上に流れる薄膜として、または連続蒸気内に引き込まれた小滴として認められる。この遷移は燃料棒長さの中央点の下方に生じることが多く、環状流は、この流れが燃料棒バンドルの上端ところでその出口に達するまでこの棒の残りの長さに沿って持続する。環状流領域は、一般にドライアウトまたは沸騰遷移が沸騰水型原子炉内で起る場所であるので重要であり、したがって、いくつかの実施形態において表面フィーチャ１２０は、水膜をより良好に拡張ししたがって逆ドライアウト状態に先んじ、ならびにポストドライアウト熱伝達を改善するように、環状流を起こしやすい管４００のその範囲においてだけ配置される。

棒４００の表面１１０を特徴づけるパラメータは以前に説明したものと一致する。いくつかの実施形態では、ａは約１マイクロメートルから約２５マイクロメートルまでの範囲にあり、例えば約５マイクロメートルから約１５マイクロメートルまでの範囲にある。いくつかの実施形態では、ｂは約５マイクロメートルから約７５マイクロメートルまでの範囲にあり、例えば約１５マイクロメートルから約４５マイクロメートルまでの範囲にある。いくつかの実施形態では、ｈは約１０マイクロメートルから約１００マイクロメートルまでの範囲にある。これらの値は、原子力炉の環境において遭遇する特別な温度および流れ状態により与えられる性能の望ましいレベルを与えることができる。さらに驚いたことに本発明者は、高い縦横比のフィーチャ、すなわちｈ／ａ＞１およびいくつかの場合にはｈ／ａ＞４を有するものはライデンフロスト温度の測定可能な増加を示し、低い縦横比のフィーチャ（ｈ／ａが約１より小さい）はこの効果を示さないことを見出した。

次の実施例は、本発明の実施形態をさらに例示するために記述され、いかなる場合にも本発明の実施形態の範囲を限定することが意図されるものではない。

図８は、本発明の実施形態による表面についての物理学に基づくモデルにより生成されたデータのプロットを示す。この図において、表面の表面積（突出した表面積に対する実際の表面積の割合、ｒによって評価される）と水で形成される有効接触角との間の関係が、５０°、６０°、および７０°の公称接触角を有する表面についてプロットされている。パラメータｒはｂ／ａおよびｈ／ａのようなパラメータ含む表面の形状寸法の関数であり、この特定の関数の性質は表面の形状構成に依存することが明らかであろう。図８に示すように、有効接触角がゼロに達する所与の公称接触角の表面について限界ｒ値が存在し、この限界ｒ値よりも粗い表面（すなわち、より大きいｒ値を有する表面）の使用は、有効接触角についてさらなる効果を有さない。この限界ｒ値は、表面材料の公称接触角が大きくなるにつれて大きくなる。本発明のいくつかの実施形態では、表面は、図５に示すタイプの解析によって示される少なくとも限界ｒ値であるｒ値を有するように設計される。他の実施形態では、表面は一定値よりも小さい接触角を有するように設計される。例えば、水について所望の最大接触角が２０°であり表面１１０を構成するのに使用されるべき材料が約６０°の公称接触角を有する金属などの材料である場合、図８は、表面のｒ値が少なくとも約１．９であるように、表面フィーチャ１２０は設計され配置されるべきであることを示している。

本発明の実施形態をさらに例示するために、シリコン表面は、それぞれ様々なｂ／ａ値を有し、約３のｈ／ａを有し、幅が３マイクロメートルの正方形ペデスタルのマトリックスから作られた所与のテクスチャであった。水についてのこれらの表面の静的接触角が、接触角に関する相対間隔の効果を判定するために測定された。平滑な（テクスチャ付き）シリコン表面について測定された接触角は約４５°であることが分かった。正方形ペデスタルを有するシリコンウェーハの測定値は、ｂ／ａの一定の範囲についてその接触角がゼロと同じように低いことを示す。これらの結果は図９に示される。測定値は点としてプロットされ、実線はモデルによって予測されるような有効接触角を表す。このプロットは、約３より小さいｂ／ａではこの状況において約ゼロの接触角を維持することが必要とされることを示唆する。

様々な実施形態を本明細書において説明したが、要素、変型、均等物、または改良が本明細書において当業者により行われることができ、これは依然として添付の請求の範囲に規定される本発明の範囲内にあることが理解されよう。

本発明の実施形態の断面概略図である。 本発明の他の実施形態の断面概略図である。 様々な縦横比について相対間隔の関数として接触角をプロットした図であり、ここでフィーチャは細孔である。 様々な縦横比について相対間隔の関数として接触角をプロットした図であり、ここでフィーチャは溝である。 様々な縦横比について相対間隔の関数として接触角をプロットした図であり、ここでフィーチャは突出部である。 本発明の他の実施形態の断面概略図である。 本発明の燃料棒の実施形態の断面概略図である。 表面積の関数として有効接触角をプロットした図である。 表面フィーチャについての相対間隔の関数として測定された接触角をプロットした図である。

符号の説明

１００ 物品
１１０ 表面
１２０ 表面フィーチャ
１３０ 要素
１４０ 第２の液体
１５０ 対向する表面
１８０ 第１の液体
２００ 空洞
２１０ 高さ寸法
２２０ 突出部、突出するフィーチャ
２３０ 幅寸法
２５０ 間隔寸法
３００ 物品
４００ 燃料棒
４２０ クラッディング部分
４３０ 燃料ペレット

Claims (15)

1. 液相から気相への相変態を促進するように構成された表面（１１０）を有する物品（３００）であって、前記物品（３００）は、
   蒸気に変換されるべき液体と接触するように配置された表面（１１０）を有する要素（１３０）を備え、前記表面（１１０）は比率ｂ／ａが最大で約８であるようなメジアンフィーチャサイズａおよびメジアンフィーチャ間隔ｂを有する複数の表面フィーチャ（１２０）を備え、
   前記表面（１１０）は前記液体に接触するように配置された材料を含み、前記材料は前記液体の一滴について最大で約８０°の公称接触角を生成するのに十分な公称濡れ性を有することを特徴とする物品（３００）。
2. 比率ｂ／ａが約０．５から約６までの範囲にあることを特徴とする請求項１記載の物品（３００）。
3. 比率ｂ／ａが約２から約４までの範囲にあることを特徴とする請求項１記載の物品（３００）。
4. 前記複数の表面フィーチャ（１２０）が前記表面（１１０）の上方または下方にメジアン高さ変位ｈを有し、前記比率ｈ／ａが少なくとも約０．５であることを特徴とする請求項１記載の物品（３００）。
5. 比率ｈ／ａが少なくとも約４であることを特徴とする請求項４記載の物品（３００）。
6. 比率ｂ／ａが約０．５から約６までの範囲にあることを特徴とする請求項５記載の物品（３００）。
7. 前記複数の表面フィーチャ（１２０）が前記表面上に配置された複数の空洞（２００）を備えることを特徴とする請求項１記載の物品（３００）。
8. 前記複数の空洞（２００）がメジアン深さｈを有し、そこまで前記複数の空洞（２００）は前記物品（３００）の中に延在し、比率ｈ／ａが少なくとも約１であることを特徴とする請求項７記載の物品（３００）。
9. 前記複数の空洞（２００）がメジアン深さｈを有し、そこまで前記複数の空洞（２００）は前記物品（３００）の中に延在し、比率ｈ／ａが少なくとも約３であることを特徴とする請求項７記載の物品（３００）。
10. 前記表面（１１０）が、前記基準液の一滴について最大で約１５°の有効接触角を生成するのに十分な有効濡れ性を有することを特徴とする請求項１記載の物品（３００）。
11. 前記物品（３００）がボイラまたは蒸発器であることを特徴とする請求項１記載の物品（３００）。
12. 原子力炉用の燃料棒（４００）であって、
    核燃料物質を取り囲むクラッディング部分（４２０）を備え、前記クラッディング部分（４２０）は前記棒上を流れまたはその上へ衝突する液体と接触しているように配置された表面（１１０）を備え、前記表面（１１０）は比率ｂ／ａが最大で約８であるようなメジアンフィーチャサイズａ、およびメジアンフィーチャ間隔ｂを有する複数の表面フィーチャ（１２０）を備え、
    前記表面（１１０）は前記液体に接触するように配置された材料を含み、前記材料は前記液体の一滴について最大で約８０°の公称接触角を生成するのに十分な公称濡れ性を有する、燃料棒（４００）。
13. 比率ｂ／ａが約０．５から約６までの範囲にあることを特徴とする請求項１２記載の燃料棒（４００）。
14. 比率ｂ／ａが約２から約４までの範囲にあることを特徴とする請求項１３記載の燃料棒（４００）。
15. 前記複数の表面フィーチャ（１２０）が前記表面（１１０）の上方または下方にメジアン高さ変位ｈを有し、前記比率ｈ／ａが少なくとも約４であることを特徴とする請求項１２記載の燃料棒（４００）。

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