JP2008180399A - スカイラジエータ - Google Patents

Abstract

【課題】スカイラジエータの放射吸収体を、雰囲気の水分が放射吸収体の表面で結露し電磁波の効率的な放散を阻害するのを防止して、スカイラジエータとして輻射放熱の低温熱量を効率よく蓄熱することを目的とする。
【解決手段】集熱部２を間隙４をおいて光透過性の筒５で覆うと共に、この間隙４に乾燥ガスを封入して、低温となる集熱部２を断熱するとともに、光透過性の筒５により集熱部２の外側の間隙４に乾燥ガスを封入して空気中の水分の結露を防止して、常に高効率なスカイラジエータとすることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、大気に放射熱を集中して放散させて低温利用するスカイラジエータに関するものである。

従来、一般家庭を中心とした冷房空調は電気を用いたヒートポンプ式エアコンが主流である。

最近、スカイラジエータを用いた提案がある。これは、夜間に宇宙に輻射熱を放出して冷却する(ステファンボルツマン原理)から省エネルギー、排熱レス等から注目されている。

物体は、温度に応じた輻射熱を放出し、同時に外部から輻射熱を受けて熱の授受を行っている。宇宙は絶対０℃近く、２０℃の物体からは理想状態では、４０１kcal／ｈ・ｍ２の熱が放散できる。

この種のスカイラジエータとしては、例えば、図３に示すようなものが見受けられる。

図３において、スカイラジエータ及び／又はソーラーコレクタとして、熱媒体循環路を備えた電磁波の放射吸収体１０１と、この放射吸収体１０１を収容するケース１０２と、その上面に配置され、且つ電磁波の透過可能なカバー１０３とから主として成り、カバー１０３の表面は紫外線吸収剤含有樹脂で構成されている。

そして、カバー１０３により長期使用に耐えることが出来、地球環境への負荷が極めて小さい空調システムの構築が可能である（例えば、特許文献１参照）。
特開２００２−８９９７５号公報

しかしながら、前記従来技術では、熱媒体循環路を流れる媒体からの伝熱により高温となった放射吸収体１０１から電磁波として紫外線吸収剤含有樹脂のカバー１０３を通り抜けて大気に熱として放出し、放射吸収体１０１が冷却される。

このため、放射吸収体１０１は低温となり熱媒体循環路を流れる媒体から利用できるが、同時に、低温の放射吸収体２によりカバー４内の空気も冷却されて、雰囲気の水分がカバー４と放射吸収体２の表面で凝縮し、水滴が生じる。

この水滴は、放射吸収体２から反射鏡で方向を変えカバー４を通り大気に向かう電磁波の方向を変え効率的に放散するのを阻害する。そのため、熱媒体循環路を流れる媒体の熱を大気に向かって放出する量が減少し、スカイラジエータとしての効率が悪くなるという課題があった。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、空気中の水分の結露を防止して常に高効率なスカイラジエータを提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明のスカイラジエータは、平行光を集光する反
射鏡と、この反射鏡の集光点に設けた集熱部と、この集熱部を間隙おいて覆う光透過性の筒と、前記間隙に乾燥ガスを封入して構成するものである。

本発明のスカイラジエータは、集熱部を間隙をおいて覆う光透過性の筒と、前記間隙に乾燥ガスを封入して構成したことにより、光透過性の筒により空気と低温となる集熱部を断熱するとともに、光透過性の筒により集熱部の外側の間隙を乾燥ガスを封入したことによりこの低温となる空気中の水分の結露を防止できる。このため、集熱部の表面に結露した水滴が付き電磁波が大気に放射することを阻害する事無く、常に高効率な輻射冷却性能の維持を可能とし、スカイラジエータのコンパクト化や簡素化を図ることができる。

第１の発明は、平行光を集光する反射鏡と、この反射鏡の集光点に設けた集熱部と、この集熱部を間隙をおいて覆う光透過性の筒とを具備し、前記間隙に乾燥ガスを封入したもので、光透過性の筒により外部の空気と低温となる集熱部を断熱するとともに、光透過性の筒により集熱部の外側の間隙を乾燥ガスを封入したことにより、この低温となる空気中の水分の結露を防止できる。

このため、集熱部の表面に結露した水滴が付き電磁波が大気に放射することを阻害することがなく、常に高効率な輻射冷却性能の維持を可能とできる。

すなわち、スカイラジエータは、物体の輻射熱の授受によるもので、物体の温度に応じて電磁波として外部に熱を放射し、同時に外部の温度に応じた電磁波として熱を受ける。外部からの熱は夜間空に向けると、宇宙の絶対０度に近い温度となり放射熱量が最大となり、物体は低温となる。この現象はステファンボルツマンの法則で、Ｅ＝ｅ×σ×Ｔ^４と示される。

ここで、Ｅ＝エネルギー量(ｗ／ｍ２)ｅ＝放射率、σ＝ステファンボルツマン定数（＝５．６７×１０^-8（ｗ／ｍ２ｋ^{^4}）である。ｅ＝０．９、物体の温度２０℃とすると、Ｅ＝３９７ｗ／ｍ２となる。

一方、大気は、雲が無い夜間は宇宙が見えており、絶対０℃に近く大気からの放射熱はほぼ０となる。このため、夜間１０時間で、３９７０ｗｈ／ｍ２の熱量で冷却できる。これは理想の状態であり、実際は、大気からの放射、対流、伝熱による熱伝達による加熱がありこの値より少なくなる。

そして、放熱により、低温となった集熱部に接して空気がある場合は、集熱部により空気が冷やされ、空気中の水分が凝縮して集熱部の表面に溜まる。この水分の凝縮熱として冷却熱が奪われ加熱される事と、集熱部からでる電磁波がこの水滴に吸収される事と、電磁波の方向が変化して反射鏡で大気に全て向かわなく、宇宙の空に放出できない事が生じる。

このため、集熱部から電磁波として放出する熱量が小さくなり、スカイラジエータ性能が低下する。

そこで、光透過性の筒の間隙に乾燥ガスを封入して構成したことにより、光透過性の筒により外部の空気と低温となる集熱部を断熱して、光透過性の筒の外部の空気の温度低下を防止でき、この筒の表面に結露する事を防止でき、また、光透過性の筒により集熱部の外側の間隙を乾燥ガスを封入したことにより、乾燥ガスは低温となっても水分の結露を発生することが無い。

このため、集熱部の表面に結露した水滴が付き電磁波が大気に放射することを阻害する事無く、常に高効率な輻射冷却性能の維持を可能とできる。

また、電磁波の放射量が増加し集熱部をより低温にできることは集熱部の温度を低くして熱媒体の出口温度を低下させることが可能となり、向上した性能を利用してスカイラジエータのコンパクト化や簡素化を可能とできる。

第２の発明は、特に、第１の発明の集熱部を回転の中心とし、その周囲を前記反射鏡が回転できるように支持した回転駆動部と、この回転駆動部の回転軸に垂直となる面に前記反射鏡と連動して設けた複数個の輻射量センサとを具備し、前記輻射量センサは受光面の方向が広がるように設定したことにより、大気からの放射量が最も少ない方向に反射鏡を向けることができる。

すなわち、おのおのの輻射量センサの出力の大小の値を比較することにより、反射鏡の方向を高温の物体から避けた方向に移動させることができる。反射鏡の光軸に対して輻射量センサは受光面の方向を広がるように設定したことにより、反射鏡の方向は複数の輻射量センサの方向の間にあるため、輻射量センサの出力が低い方向に合わせると反射鏡は最も電磁波を受けない方向に置くことになる。

そのため、この輻射量センサの出力変化に応じて回転駆動部を回転することにより、逐次反射鏡を最も低温の空に向かわせることが可能となる。

第３の発明は、特に、第１または第２の発明の集熱部に表面に赤外線を吸収する選択吸収膜を装着したことにより、集熱部からの赤外線放射を増長して集熱部の温度を低温に維持して、熱媒体からの熱を効率良く放熱することができる。

第４の発明は、特に、第１または第２の発明の複数の反射鏡を設けると共に、集熱部は、内部に熱媒体を流通させるために一体の集熱管を複数個の反射鏡内に連通させて配置したことにより、熱媒体がそれぞれの反射鏡を通過しながら電磁波として輻射放散する熱量で冷却されので、熱媒体の温度をより低温に維持しながら所定の熱量を得ることができる。

第５の発明は、特に、第１の発明の間隙は、封口すると共に、内部を減圧して構成したことにより、間隙の空間を通して集熱部を間隙を設けて覆う光透過性の筒から低温である集熱部に熱を流す、間隙の空間における空気の対流熱伝達による放熱を大幅に小さくでき、スカイラジエータ輻射効率を向上することができる。また、内部の減圧は、間隙内のガスに含まれる水蒸気量も低減でき、集熱部表面での結露を防止できる。

第６の発明は、特に、第１の発明の間隙は、封口すると共に、内部に熱伝導率の小さいガスを注入し、密封して構成したことにより、間隙の空間における空気の対流熱伝達による放熱をさらに大幅に小さくでき、スカイラジエータ輻射効率を向上することができる。

第７の発明は、特に、第１の発明の反射鏡と集熱部を覆う外装は、内部に熱伝導率の小さいガスを注入し、密封したことにより、外装内における空気の対流熱伝達による外部から集熱部に流れる伝熱を大幅に小さくして、外装からの吸熱を低減させスカイラジエータ輻射効率を向上することができる。

以下本発明の実施の形態を添付図面を参照して説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
（実施の形態１）
図１、図２において、１は反射鏡で、その形状は、断面が放物線からなる二次曲面に形成し、平行線は集熱部２に集束させるとともに、縦方向は樋型に構成している。

この樋型の反射鏡１を方位方向（東西方向）に伸ばして一つのユニットを構成している。

反射鏡１の反射面３は、集熱部２からの電磁波の反射率を向上させるために、鏡面に仕上げている。

反射面３の鏡面仕上げは、反射鏡１を構成する材料に応じて、めっき、蒸着、研磨、塗装等の方法を選択するようにしている。反射鏡３の加工は、耐熱の樹脂（例えば、フェノール樹脂、フッ素樹脂、ポリイミド樹脂等）を成型、ステンレスをプレス加工、アルミダイカスト成型等の方法、また、アルミの鏡面仕上げ板を折り曲げる方法もある。例えば、反射鏡３を耐熱樹脂で成型した時は、鏡面をアルミめっき（蒸着）や塗装で仕上げて反射面３を形成する。特に、鏡面をアルミめっきする時は、ポリイミド樹脂やポリフェニレンサルファイド樹脂またはポリステル樹脂、ポリアミド樹脂等を使用する。

また、ステンレスをプレス加工したときは、アルミ電解研磨やバフ研磨等で鏡面を形成することもある。

さらに、アルミダイカストの成型でもめっき等により鏡面仕上げを行い、アルミダイカスト材料の研磨後の酸化皮膜による反射率の低下を防止することもある。

集熱部２は反射鏡１の放物面の焦点に配置されており、その集熱部２の表面から放射する電磁波を反射面３で屈曲させながら大気から宇宙に向けて放出する様に形状を構成している。

集熱部２は、管（銅管やステンレス管や黄銅管やアルミ管等）で構成され、東西方向に伸ばして構成した樋型の反射鏡１の焦点に沿って配置されている。

この集熱部２の外周は間隙４をおいて光透過性の筒５で覆うと共に、この間隙４には乾燥ガスが封入してある。

放物面の反射鏡１は、回転駆動部６を介して集熱部２の周囲を回転するように構成されている。

回転駆動部６は、モーターとギアやカムを組み合わせて軸に装着した駆動部作動板７を回転し、この駆動部作動板７に反射鏡１を一体として、集熱管２と同軸に回転するようにしてある。また、回転駆動部６は、ステッピングモーターを使用して、自在の角度に設定するが可能である。

８，９は、物体からの輻射熱の電磁波の多少によりその出力が増減する輻射量センサであり、回転駆動部６の回転軸に垂直となる面である反射鏡１の両端に設置してある。

輻射量センサ８，９はその受光面の方向を広がるように構成し、回転駆動部６の動作により反射鏡１と一体となり動く。

本実施の形態では、回転駆動部６の回転軸に垂直となる面である反射鏡１の反射面３の光軸１０と平行な線に対して、輻射量センサ８は角度α、輻射量センサ９は角度βだけ傾
斜してある。

輻射量センサ７，８の出力を比較する演算部１１を接続し、この演算部１１は、輻射量センサ７，８の出力値を比較してこの値が最も小さくなる様に記憶制御部１２で判断して回転駆動部６を回転する構成とした。

１３は集熱部２の内部に供給される熱媒体で、水やオイルに加えて、代替フロン（ＨＦＣ：Ｈｙｄｒｏｇｅｎｅｒａｔｅｄ Ｆｌｕｏｒｏ Ｃａｒｂｏｎ）の１３４ａや二酸化炭素（ＣＯ２）、あるいはアルコール類を使用している。

この熱媒体１３の流通に抵抗にならないように集熱部２の管外径は可及的に小さく構成して、放出する電磁波が広く反射鏡１に放散するようにしている。

管外径が小さいほど放散率（電磁波の放射面積を焦点面積で除したもの、樋型では、反射鏡の開口幅で焦点の管外径を除した値）が高くなり、集熱部２を低温にできる。

集熱部２の表面には、選択吸収膜を形成している。この選択吸収膜は、集熱部２の表面に黒色の黒クロムまたは無電解ニッケルのめっき処理を行って形成している。また、めっきの替わりにマンガン系の黒色塗料を塗布することも考えられる。

１４は反射鏡１と集熱部２を収納した外装で、上部に透過体１５を設けた箱状に構成している。外装１４は腐食の少ないステンレスや耐候性のある樹脂材料（例えば、ポリエステル樹脂、ポリカーボネート樹脂等）で構成している。

反射鏡１や集熱部２の周囲を覆うように外装１４の内壁に沿って外装断熱材１６が充填してある。

外装断熱材１６は、耐熱性のロックウール、グラスウール等で構成してあり、表面は硬化させて、それだけで壁面を構成するかまたは板で内面を補強して構成するようにしている。

透過体１５は太陽光を通過させるために透過率の大きな透明ガラスからなり、反射鏡１の上部に設けられて電磁波を透過放散すると共に、内部に雨やホコリが侵入するのを防止している。このような透明ガラスの日射透過率は、約９０％である。

前記透過体１５に向かって反射鏡１を傾斜させて上方に広がるように構成して、夜空の宇宙に合わせて反射鏡１で電磁波を多く放出できるようにしている。

１６は熱媒体１３の循環ポンプ、１７は熱媒体１３が流れる回路、１８は熱媒体１３からの低温の熱を蓄える蓄熱槽である。

以上のように構成されたスカイラジエータについて、以下その動作、作用を説明する。まず、循環ポンプ１６を作動して熱媒体１３を回路１７内に循環させ、集熱部２に送る。集熱部２では輻射熱の電磁波が反射鏡１の反射面３に当たる。

集熱部２から出た電磁波は反射鏡１で反射して宇宙に放出し、逆に入る電磁波は、宇宙からの分のみが反射鏡１で反射しながら集熱部２に集中し、斜め方向等からの電磁波は集熱部２に至らない。

そのため、集熱部２は電磁波として放熱する熱量が多くなり、同集熱部２の温度を低下
させる。また、集熱部２の表面に装着した選択吸収膜により、集熱部２からの電磁波が多くなり、その温度が低下する。

集熱部２に熱媒体１３が送られると、その集熱部２の低温熱を受け、熱媒体１３は低温の液体を形成して蓄熱槽１８に送られる。

蓄熱槽１８では、この液体を受けて常温以下の熱量を蓄積するようにしている。熱媒体１３の液体は、蓄熱槽１８で液体のままか、または気化して蒸気となり、循環ポンプ１６により再度、集熱部２に送られ、冷却されるようにしている。

この動作を夜間の放射冷却が可能な間、繰り返すことにより、必要な低温熱量を蓄熱槽１８に維持するようにしている。

そして、集熱部２と光透過性の筒５の間の間隙４には乾燥ガスが封入してある。光透過性の筒５により外部の空気と低温となる集熱部２を断熱するとともに、光透過性の筒５により集熱部２の外側の間隙４に乾燥ガスを封入したことにより、この低温となる間隙４の空気中の水分の結露を防止できる。このため、集熱部２の表面に結露した水滴が付いて電磁波が大気に放射することを阻害する事が生じ無く、常に高効率な輻射冷却性能の維持を可能とできる。

すなわち、スカイラジエータの作用は、物体の輻射熱の授受による。全ての物体はその温度に応じて電磁波として外部に熱を放射し、同時に外部の温度に応じた電磁波として熱を受ける。外部からの熱は夜間空に向けると、宇宙の絶対０度に近い温度となり放射熱量が最大となり、物体は低温となる。この現象はステファンボルツマンの法則で、Ｅ＝ｅ×σ×Ｔ^{^4}と示される。
Ｅ＝エネルギー量（ｗ／ｍ２）ｅ＝放射率
ここで、σ=ステファンボルツマン定数（＝５．６７×１０^{^-8} ｗ／２ｋ^{^4})である。
ｅ＝０．９、物体の温度２０℃とすると、Ｅ＝３９７ｗ／ｍ２となる。

一方、大気は、雲が無い夜間は宇宙が見えており、絶対０℃に近く大気からの放射熱はほぼ０となる。このため、夜間１０時間で、３９７０ｗｈ／ｍ２の熱量で冷却できる。これは理想の状態であり、実際は、大気からの放射、対流、伝熱による熱伝達による加熱がありこの値より少なくなる。

そして、放熱により、低温となった集熱部２に接して空気がある場合は、集熱部２により空気が冷やされ、空気中の水分が凝縮して集熱部２の表面に溜まる。この水分の凝縮熱として冷却熱が奪われ加熱される事と、集熱部２からでる電磁波がこの水滴に吸収される事と、電磁波の方向が変化して反射鏡１で大気に全て向かわなく、宇宙の空に放出できない事が生じる。

このため、集熱部２から電磁波として放出する熱量が小さくなり、スカイラジエータ性能が低下する。

そこで、光透過性の筒５の間隙４に乾燥ガスを封入して構成したことにより、筒５により外部の空気と低温となる集熱部２を断熱して、筒５の外部の空気の温度低下を防止でき、この筒５の表面に結露する事を防止でき、また、筒５により集熱部２の外側の間隙４を乾燥ガスを封入したことにより、乾燥ガスは露点温度が低く低温となっても水分の結露を発生することが無い。

このため、集熱部２の表面に結露した水滴が付き電磁波が大気に放射することを阻害す
る事が無く、常に高効率な輻射冷却性能の維持を可能とできる。また、電磁波の放射量が増加して集熱部２をより低温にできることは、集熱部２の温度を低くして熱媒体の出口温度を低下させることが可能となる。したがって、向上した性能を利用してスカイラジエータのコンパクト化や簡素化を可能とできる。

また、スカイラジエータの集熱量は、反射鏡１にはいる電磁波の量と集熱部２から出て行く電磁波の量の差で決まる。そのため、反射鏡１の集熱部２に入る方向に宇宙より高温の物体が在ると、それから発する電磁波の量の分だけ集熱量は低下する。

そこで、集熱部２を回転の中心としその周囲を反射鏡１が回転できるように支持した回転駆動部６と、この回転駆動部６の回転軸に垂直となる面に反射鏡１と連動して設けた複数個の輻射量センサ８，９とを設け、かつ輻射量センサ８，９に傾斜した受光面に構成している。

このことにより、大気からの放射量が最も少ない方向に反射鏡１を向けることができる。すなわち、おのおのの輻射量センサ８，９の出力の大小の値を比較することにより、反射鏡１の方向を高温の物体から避けた方向に移動させることができる。

反射鏡１の光軸に対して輻射量センサ８，９は受光面の方向が広がるように構成したことにより、反射鏡１の方向は複数の輻射量センサ８，９の方向の間にあり、これら輻射量センサ８，９の出力が低い方向に合わせると反射鏡１は最も電磁波を受けない方向に置くことが可能になる。

そのため、この輻射量センサ８，９の出力変化に応じて回転駆動部６を回転することにより、逐次反射鏡１を最も低温の空に向かわせることが可能となる。したがって、近くにビル等の高温物がある時や月が出たときも高性能の冷却が維持でき、使用範囲が広がる。

また、集熱部２は、表面に赤外線を吸収する選択透過性能を有する耐熱性、耐候性の優れた樹脂材料（例えば、ポリカーボネート等）からなる選択吸収膜を装着したことにより、集熱部２からの赤外線放射を増長してその集熱部２の温度を低温に維持して、熱媒体からの熱を効率良く放熱することができ、軽量化と低コスト化を行うことができる。

なお、本実施の形態では、反射鏡１、集熱部２が１個だけであるが、複数の反射鏡を設けると共に、集熱部２は、内部に熱媒体１３を流通させるために一体の集熱管を複数個の反射鏡内に連通させて配置することも考えられ、熱媒体１３がそれぞれの反射鏡１を通過しながら電磁波として輻射放散する熱量で冷却され、熱媒体１３の温度をより低温に維持しながら所定の熱量を得ることができる。

また、間隙４は封口すると共に、内部を減圧して構成したことにより、間隙４の空間を通して集熱部２を間隙を設けて覆う光透過性の筒５から低温である集熱部２に熱を流し間隙４の空間における空気の対流熱伝達による放熱を大幅に小さくできる。

このため、スカイラジエータ輻射効率を向上することができる。さらに、内部の減圧は、間隙内のガスに含まれる水蒸気量も低減でき、集熱部２表面での結露を防止できる。

また、間隙４は封口すると共に、内部に熱伝導率の小さいガスを注入し、密封して構成したことにより、間隙４の空間における空気の対流熱伝達による放熱をさらに大幅に小さくでき、スカイラジエータ輻射効率を向上することができる。

また、反射鏡１と集熱部２を覆う外装１４は、透過体１５で封口して内部に熱伝導率の
小さいガス（例えば、クリプトンガス）を注入し、密封してある。このことにより、外装１４内における空気の対流熱伝達による外部から集熱部に流れる伝熱を大幅に小さくして、外装１４からの吸熱を低減させスカイラジエータ効率を向上することができる。

そして、外装１４は、反射鏡１が開口された側に透過体１５を装着したことにより、外装１４内に雨水やホコリが堆積しないので、長期間にわたって集熱効率を良好に維持することができる。

また、本実施の形態では輻射量センサ８，９を２個配置した例を示したが、個数は複数であれば４個、６個と多くても良い。輻射量センサの数を多くすればより細やから制御と、信頼性の向上が図れる。加えて、輻射量センサの位置も、本実施の形態では反射鏡１の両端に設置したが、受光面の角度を維持して密接して設けても同じ性能が得られ、輻射量センサ８，９を一体にして取り付けが容易となり、低コスト化も実現することができる。

以上のように、本発明にかかるスカイラジエータは、光透過性の筒により空気と低温となる集熱部を断熱し乾燥ガスを封入したことにより水分の結露を防止して、高効率な輻射冷却性能の維持を可能となり、住宅の冷房のための冷却装置に適用することができる。

本発明の実施の形態１におけるスカイラジエータの断面図 本発明の実施の形態１におけるスカイラジエータの部分断面の構成図 従来例におけるスカイラジエータの斜視図

符号の説明

１ 反射鏡
２ 集熱部
４ 間隙
５ 筒
６ 回転駆動部
８，９ 輻射量センサ
１４ 外装
１５ 透過体

Claims (7)

1. 平行光を集光する反射鏡と、この反射鏡の集光点に設けた集熱部と、この集熱部を間隙をおいて覆う光透過性の筒とを具備し、前記間隙に乾燥ガスを封入したスカイラジエータ。
2. 集熱部を回転の中心としその周囲を反射鏡が回転できるように支持した回転駆動部と、この回転駆動部の回転軸に垂直となる面に前記反射鏡と連動して設けた複数個の輻射量センサとを具備し、前記輻射量センサは受光面の方向が広がるように設定した請求項１記載のスカイラジエータ。
3. 集熱部は、表面に赤外線を吸収する選択吸収膜を装着した請求項１または２記載のスカイラジエータ。
4. 複数の反射鏡を設けると共に、集熱部は、内部に熱媒体を流通させるために一体の集熱管を複数個の反射鏡内に連通させて配置した請求項１または２記載のスカイラジエータ。
5. 間隙は封口すると共に、内部を減圧して構成した請求項１記載のスカイラジエータ。
6. 間隙は封口すると共に、内部に熱伝導率の小さいガスを注入して密封して構成した請求項１記載のスカイラジエータ。
7. 反射鏡と集熱部を覆う外装は、内部に熱伝導率の小さいガスを注入して密封した請求項１記載のスカイラジエータ。