JP2017003254A - メタマテリアルによって改良された受動的な放射冷却パネル - Google Patents

Abstract

【課題】低コストで高性能な受動的放射冷却パネルを提供する。【解決手段】受動的な放射冷却パネル１００は、上側反射層１２０の下に配置されたエミッタ層１１０を含み、エミッタ層は、反射層を通って近くの冷たい空間に伝達される放射エネルギーの形態で放熱するように構成されたメタマテリアルナノ構造を含む。エミッタ層は、１単位に近い放射率で、既知の大気の透明窓に含まれる波長／周波数を有する放射エネルギーを放出するように構成された超黒色材料を含む。エミッタ層は、改変された陽極の酸化アルミニウム自己組織化技術、次いで、金属めっきされたテーパー形状のナノ細孔を作成する無電解めっきを用いて作られる。反射層は、放出される放射エネルギーを通過させつつ、入射太陽光の少なくとも９４％を反射するように構成された、分布したＢｒａｇｇ反射器を含み、低コストの市販のソーラー鏡面膜を用いて実施される。【選択図】図２

Description

本発明は、放射冷却に関し、特に、受動的な放射冷却パネルに関する。

大きな冷却システムは、発電に重要な役割を果たす。ほとんどの発電所は、熱源（例えば、核反応器のコア、気体／石炭／油炉、または太陽光集光器）を用い、冷却剤（典型的には水）を、加熱された気体状態（例えば、蒸気）に変換し、次いで、加熱された気体状の冷却剤を発電機（すなわち、機械的な力を電力に変換する回転する機械）に通すことによって発電する。発電機を出る冷却剤を熱源に戻すことができる前に、冷却剤は、その気体状態から液体状態へと完全に再変換されなければならず、典型的には、冷却剤から十分な熱を放出し、冷却剤の温度がその沸点より低くなることを含む。大きな発電所で大容積の冷却剤が使用されるため、この冷却機能は、典型的には、発電機に残る冷却剤を、発電所の外側に配置された大きな冷却システムに圧送することによって行われ、それによって、冷却剤からの熱は、周囲の環境へと無害な状態で放出される。冷却剤が発電所に戻る前に、冷却剤が液体状態へと完全に再変換されないと、発電所の効率が顕著に下がる。従って、大きな冷却システムは、発電に重要な役割を果たす。

冷却システムは、水を消費する湿式冷却システム（すなわち、望ましい冷却力を達成するために蒸発に依存する）と、水を消費することなく熱を取り去る対流または放射を利用する乾式冷却システムの２種類の一般的な分類に分けることができる。一般的にいうと、従来の技術に基づく乾式冷却システムは、同量の冷却力を発生することができる匹敵する湿式冷却システムよりも顕著に大きな領域を占有し、高い動作費用を必要とする。従って、ほとんどの大きな発電所、特に、従来の乾式冷却が実行不可能な高温高湿の気候帯にある発電所は、全体として大量の水（すなわち、１日あたり数百億ガロンの水）を消費する湿式冷却システムを利用する。すなわち、水が豊富にあり、安価な場合、湿式冷却システムは、従来の技術に基づく乾式冷却システムよりも建築および動作を顕著に安価に行うことができる。しかし、（例えば、干ばつに起因して）水供給の削減を経験する１つ以上の乾燥地域では、湿式冷却システムの使用は、発電所で使用するために貴重な水を居住地域または農業地域から転用することが必然となる場合には問題となり得る。

放射冷却は、放射エネルギーによって放熱が達成される乾式冷却の一形態である。すべての物体は、常に放射エネルギーを放出し、吸収し、正味のエネルギーの流れが外に向かっているとき、放射冷却を受けるが、正味のエネルギーの流れが内に向かっているときは、熱を得る。例えば、建築物の受動的な放射冷却（すなわち、電力を消費することなく、例えば、冷却ファンを回すことなく達成される放射冷却）は、快晴からの長波長の放射が、建築物の屋根から放射される長波長の赤外線放射よりも少ないとき、典型的には、夜間に起こる。逆に、昼間は、建築物の屋根に向かう太陽光の放射は、放出される長波長の赤外線放射より多いため、空に向かう正味の流れが存在する。

単純化した用語において、放射表面の冷却力Ｐ_{ｃｏｏｌｉｎｇ}は、放射される電力Ｐ_ｒａｄから、空気からの大気中の熱放射から吸収される電力Ｐ_ａｔｍ、日射照度Ｐ_ｓｕｎおよび伝導と対流の影響Ｐ_ｃｏｎを引いたものと等しい。
Ｐ_{ｃｏｏｌｉｎｇ} ＝ Ｐ_ｒａｄ − Ｐ_ａｔｍ − Ｐ_ｓｕｎ − Ｐ_ｃｏｎ （式１）
実際の設定において、Ｐ_ａｔｍは、周囲温度によって決定され、Ｐ_ｓｕｎは、１日の時間帯、雲量などによって変動し、夜間はゼロであり、Ｐ_ｃｏｎは、冷却機の構造的詳細によって決定される。式１から、昼間にＰ_{ｃｏｏｌｉｎｇ}を最大にするには、表面の放射率を上げることによってＰ_ｒａｄを増加させ、Ｐ_ｓｕｎの影響を最小化し（例えば、広帯域反射部の利用による）、伝導性熱源から冷却機を保護することによって対流および伝導の影響Ｐ_ｃｏｎを軽減することを伴う。合わせた非放射性熱係数が６．９Ｗ／ｍ^２Ｋであると仮定すると、式１から、昼間の実際の最低目標Ｐ_ｒａｄ値５５Ｗ／ｍ^２、夜間１００Ｗ／ｍ^２が得られ、この値は、周囲より５℃低い温度に下がることに相当する。

従って、理想的な高性能の受動的な放射冷却機は、以下の３つの条件を満足する受動的な放射冷却デバイスであると定義することができる。第１に、太陽光の少なくとも９４％（可視光および近赤外線の波長のほとんど）を反射し、冷却パネルが熱くなるのを防ぎ、これによりＰ_ｓｕｎが最小になる。第２に、大気の透明窓（例えば、８〜１３μｍ（優勢な窓）、１６〜２５μｍなど）で１単位に近い放射率を示し、これらの窓の外側では放出がゼロである。これにより、大気が不透明である波長でパネルは強く放出せず、従って、Ｐ_ａｔｍが最小になる。第３に、デバイスは環境から密封され、さもなければさらなる熱負荷に寄与する対流が最低限になり、従って、Ｐ_ｃｏｎｖが最小になる。周囲温度未満の温度で動作するため、デバイス上部での対流は、この場合には有害である。要するに、理想的な高性能の受動的な放射冷却機は、直射日光にさらされた場合であっても、周囲温度より低い温度まで「自己冷却する」ことができる設計された構造であり、その冷却力を達成するために、電力の投入または材料の相変化を必要としない。

現在、理想的な高性能の受動的な放射冷却機を規定する３つの条件を満たす受動的な放射冷却技術は、商業的に入手することができない。既存の放射冷却箔は、それほど高価ではないものもあるが、現在、日光のない状態での動作に限定されている（すなわち、ほとんどは夜間での動作）。現在の当該技術分野の状況は、昼間の受動的な放射冷却を達成し、複雑でスペクトル選択性の放射部材料を必要とする、反射部の上に放射部が存在する構造を利用することを試みているが、高価すぎて、従来の電力による冷却手法に代わる商業的に実現可能な代替法を与えることができない。さらに、商業的または他の様式で、高温または高湿の地域に設置された大きな発電所のための乾式冷却を与えるために簡単に規模を変えることができる受動的な放射冷却技術は存在しない（すなわち、ゼロである）。すなわち、発電所の乾式冷却のための挑戦は、容易に製造することができ、非常に大きな面積（例えば、１ｋｍ^２）まで低コストでスケールアップすることができるフォトニック構造を設計することである。

必要とされるのは、従来の試みに関連する高コストおよび複雑さを避けながら、高性能の受動的な放射冷却を達成する、低コストの受動的な（すなわち、電力／電気の投入を必要としない）放射冷却デバイスである。

本発明は、（下側）エミッタ層が、（上側）反射層の下に配置され、エミッタ層が、メタマテリアルナノ構造（すなわち、調整された光学特性を有するように波長未満で設計された構造）を含み、放出される放射エネルギーの形態で放熱し、次いで、反射層を通って冷たい近くの空間に伝達されるように構成された、低コストの受動的な放射冷却パネルおよび関連する冷却方法に関する。一実施形態において、反射層は、入射太陽光の少なくとも９４％（すなわち、周波数が２μｍ以下の日射）を反射するように構成される。反射層が放射層の上に配置されるため、エミッタ層は、昼間の間は反射層によって日光から遮蔽され（隠され）、そのため、理想的な高性能の受動的な放射冷却デバイスを規定する第１の条件を満たす。別の実施形態において、エミッタ層は、１単位に近い放射率で、１つ以上の大気の透明窓に含まれる波長／周波数を有する放射エネルギーを放出するように構成され（すなわち、放出される「ＡＴＷ放射エネルギー」は、波長が８μｍ〜１３μｍの範囲、および／または１６〜２８μｍの範囲であり、これらは、２つの既知の大気の透明窓である）、そのため、理想的な高性能の受動的な放射冷却デバイスの第２の条件を実質的に満足する。反射部の下にエミッタがある配置は、必ずしも軽減を容易にするものではないが、ほとんどの乾式冷却用途において、対流は顕著な因子ではなく（例えば、冷却する発電所の流出物は、周囲温度より高いままであり、そのため、対流は、このシステムに影響を与えない）、それによって、理想的な性能の冷却機の第３の条件は、不十分になる。従って、本発明は、理想的な高性能の受動的な放射冷却デバイスを規定する３つの条件を実質的に満足する受動的な放射冷却パネルの製造を容易にする。式１（上述）の熱平衡式を解くことによって誘導される正味の冷却力の概算に基づく予備実験の結果は、本発明に従って作られる低コストの受動的な放射冷却パネルが、日中および夜間にそれぞれ７５Ｗ／ｍ^２および１３０Ｗ／ｍ^２に近い正味の冷却力を与え、初期段階の試作品は、広範囲の日中にアルミニウム基材を周囲温度より６℃冷却することを示し、このことは、日中の放射冷却のための記録性能であると考えられる。さらに、複雑で高価なスペクトル選択性のエミッタが反射器の上にある構造を必要とする従来のスペクトル選択性のエミッタ手法とは異なり、本発明の反射器がエミッタの上にある配置によって、確立された低コストの製造方法と、ある場合には、既存の低コスト材料の利用を容易にすることによって、低コストの、規模を調節可能な受動的な放射冷却を容易にする。

本発明の一実施形態によれば、エミッタ層は、ベース材料の上の超黒色メタマテリアルに由来するパターン中に配置され、得られた超黒色材料が、熱エネルギーを放射エネルギーに変換するように構成されるメタマテリアルナノ構造（すなわち、調整された光学特性を有するように波長未満で設計された構造）を含む。ある実施形態において、適切な超黒色材料としては、ナノ細孔、または他の針状、樹状物状または多孔性の粗い表面、カーボンナノチューブの密集物、または他の黒色膜を含むいくつかのメタマテリアルナノ構造のいずれかを含む（例えば、黒色のクロム、黒色のケイ素、黒色の銅、ニッケルリン（ＮｉＰ）アロイ）。超黒色材料を用いて広帯域のエミッタ層を実施すると、典型的には超黒色エミッタが現在利用可能であり、スペクトル選択性のエミッタ（多層構造）と比較して、製造が容易である（１層構造）ため、受動的な放射冷却パネルの低コストでの製造が容易になる。従って、本願発明者らは、いくつかの異なる種類の超黒色材料を、ＡＴＷ放射エネルギー（例えば、８μｍ〜１３μｍの範囲および／または１６〜２８μｍの範囲の波長を有する放射エネルギー）を１単位に近い放射率で発生させるように最適化し得ると考える。

本発明の代替的な実施形態によれば、受動的な放射冷却パネルは、受動的な放射冷却パネルから放出される実質的にすべての放射エネルギーが、１つ以上の大気の透明窓に対応する波長（例えば、８μｍ〜１３μｍおよび／または１６μｍ〜２８μｍ）を有するように構成される。すなわち、理想的な性能の冷却機の第２の条件によれば、パネルは、大気中の熱放射に起因する性能低下を最低限にするために、ＡＴＷ窓の外側の放射がゼロになるべきである。本発明に従って作られる受動的な放射冷却パネルが、ＡＴＷ放射エネルギー部分に加え、少量の非ＡＴＷ放射エネルギー（すなわち、ＡＴＷ窓の外側の周波数を有する放射エネルギー）を放出してもよいが、好ましい実施形態において、実質的にすべての非ＡＴＷ放射エネルギーが除外される。本発明のエミッタが反射部の下にある配置によって、非ＡＴＷ放出ゼロを達成するための２つの代替的な手法が容易になる。１つの手法において、反射層は、エミッタ層によって発生する非ＡＴＷ放射エネルギーを遮蔽するような構成であり（または、さらなるフィルタ層が加えられ）、第２の手法において、エミッタ層は、ＡＴＷ放射エネルギーのみを発生するように構成される。これらの手法はそれぞれ、非常に特異的な光学特性を示すためにエミッタ／反射層の１つを必要とし、このことは、典型的には、高い製造コストを意味する。例えば、一実施形態において、広帯域の放射エネルギー（すなわち、大気の透明窓の内側および外側の両方の周波数を有する）を放出する低コストの超黒色材料が利用されてもよく、このことは、広帯域の放射エネルギーのＡＴＷ部分（例えば、８〜１３μｍの範囲および／または１６〜２８μｍの範囲の波長を有する広帯域放射エネルギーの一部）のみを選択的に伝達する上側反射層の使用を必要とし、すべての非ＡＴＷ放射エネルギー（例えば、７μｍ未満、１４μｍ〜１５μｍ、または１７μｍより長い波長を有する）を遮断する。この実施形態の利点は、もっと広範囲の超黒色材料の使用を容易にすることであるが、ＡＴＷ周波数のみを選択的に伝達することができる特注の反射材料、または問題となる帯域を抑制し得る赤外線フィルタ層（二次元格子構造の形態で商業的に購入することができるか、または設計されてもよい）の追加を必要とする場合がある。第２の実施形態において、超黒色材料は、１つ以上の大気の透明窓の中の周波数を有する放射エネルギーのみを放出するように構成される。この第２の実施形態の利点は、上側（反射）層の選択的な伝達の要求を減らすことであり、このことは、特定の市販の太陽光反射膜を用い、上側層の実施を容易にし、そのため、全製造費用が低くなる。しかし、この手法も、以下に記載する特徴および許容性を有する超黒色材料の作成を必要とする。いずれの場合にも、上側層は、入射日射（例えば、約２μｍ未満の波長を有する放射エネルギー）を反射し、超黒色材料から放出される、大気の透明窓の周波数を有する放射エネルギーを伝達するように機能する。

現時点で好ましい実施形態によれば、それぞれの受動的な放射冷却パネルは、ベース材料の中に規定されるテーパー形状のナノ細孔の配列を含むエミッタ層を含み、それぞれのテーパー形状のナノ細孔は、上部エミッタ表面を通って規定される開放した上側末端と、ベース材料の内側に配置される閉じた下側末端と、開放した上側末端と閉じた下側末端との間に延びる実質的に円錐形の側壁を有する穴状の空洞である。一実施形態において、円錐形の側壁の直径が、それぞれのテーパー形状のナノ細孔内部で小さくなっていくように、開放した上側末端は、閉じた下側末端よりも大きな直径を有する。代替的な実施形態において、円錐形の壁の直径が、それぞれのテーパー形状のナノ細孔内部で徐々に大きくなるように、開放した上側末端は、閉じた下側末端より小さい。適切なサイズを有する（例えば、１００ｎｍ〜１μｍの範囲の公称幅を有する）テーパー形状のナノ細孔の使用によって、テーパー形状の構造は、屈折率（グレーテッドインデックス媒体）をなめらかに効果的に変動させ、フレネルの反射を防ぐため、高い放射率でＡＴＷ放射エネルギーを放出することができる優れた超黒色材料の製造を容易にする。

具体的な実施形態によれば、それぞれの受動的な放射冷却パネルのエミッタ層は、めっきされた金属層の一部が、テーパー形状のナノ細孔それぞれの内側に配置されるように、ベース（第１の）金属材料と、第１の金属（ベース金属層）の上部表面に配置されるめっきされた（第２の）金属層の両方を含む。インピーダンス整合に加え、このような金属コーティングされたテーパー形状のナノ細孔は、超黒色材料の内側の光も散乱させ、このことは、顕著にＡＴＷ放射エネルギーの放出に寄与する。これに加えて、金属の屈折率の大きな虚数部は、この材料の内側の光を弱めることに寄与し、低い反射率が得られ、物理的にこの表面はきわめて暗い外観となる。例示的な実施形態において、ベース金属層は、アルミニウムを用いて実施され、めっきされた（第２の）金属層は、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）および金（Ａｇ）のうち１つ以上を含む。

本発明の現実的な実施形態によれば、それぞれの受動的な放射冷却パネルのエミッタ層は、改変された陽極の酸化アルミニウム（ＡＡＯ）自己組織化テンプレート技術を用いて製造される。アルミニウム層が酸で陽極酸化され、アルミナ層が、自己生成した六角形に充填されたナノ細孔の配列を含むように、多孔性アルミナ（酸化アルミニウム）層がその上に生成する。陽極酸化中に処理パラメータを徐々に変えることによって、テーパー形状のナノ細孔は、特徴的なテーパー形状の側壁を含むアルミナを作ることによって、全体的に製造される。この方法によって作られるそれぞれのテーパー形状のナノ細孔のピッチおよび直径（幅）は、陽極酸化電圧および処理条件に依存して変わり、一方、それぞれのナノ細孔の高さは、陽極酸化時間によって制御される。このＡＡＯ方法は、高スループットであり、ボトムアップであり、波長未満の（例えば、５０ｎｍ未満）の非常に高いアスペクト比（１：１０００）を有するテーパー形状のナノ細孔を製造するための低コストの製造方法である。受動的な放射冷却は、現実的な用途（例えば、発電所での乾式冷却）を行うとき、本質的に大きな領域（すなわち、平方キロメートル）のパネルを必要とするため、受動的な放射冷却パネルを開発するための主な技術的、経済的課題は、高い費用対効果でパネルを大量生産する能力にある。ＡＡＯ自己組織化テンプレート技術を用いてテーパー形状のナノ細孔を作成し、次いで、アルミナの上に第２の金属（例えば、Ｎｉ、ＣｕまたはＡｇ）を無電解めっきすることによって、費用対効果の高いロールツーロール大量生産製造技術を用い、受動的な放射冷却パネルの低コストの大量生産を容易にする様式で、優れた金属コーティングされたテーパー形状のナノ細孔が高い効率で製造される。

本発明の別の実施形態によれば、それぞれの受動的な放射冷却パネルの上側反射層は、０〜２μｍの範囲の波長を有する入射日射を反射し（すなわち、０．８以上の反射率を示し）、ＡＴＷ放射エネルギー、例えば、８μｍ〜１３μｍの範囲の波長を有するＡＴＷ放出エネルギーを伝達する／通過する（すなわち、０．２以下の反射率を示す）ように全体として構成される複数の部分層を含む、分布したＢｒａｇｇ反射器を含む。ある実施形態において、太陽光の集光（ＣＳＰ）コレクタに現時点で使用される市販の鏡面膜（例えば、セントポール、ミネソタ、米国の３Ｍ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎまたはアーバダ、コロラド、米国のＲｅｆｌｅｃＴｅｃｈ，Ｉｎｃ．によって製造されるソーラー膜）は、望ましいスペクトルに十分に近いスペクトル特徴を示し、例えば、任意要素の介在する接着剤層によってエミッタ層の上部表面に高い費用対効果で固定されてもよい。広帯域の放射エネルギーのＡＴＷ部分のみを選択的に伝達する反射層を必要とする他の実施形態において、特注の反射層が必要な場合がある。

本発明のこれらの特徴、態様および利点および他の特徴、態様および利点は、以下の記載、添付の特許請求の範囲および添付の図面に関してよりよく理解されるだろう。

図１は、本発明の一実施形態にかかる例示的な受動的な放射冷却パネルを示す上側斜視図である。 図２は、図１の受動的な放射冷却パネルをさらに詳細に示す断面側面図である。 図２Ａは、動作中の図２の受動的な放射冷却パネルの代替となる態様を示す断面側面図である。 図２Ｂは、動作中の図２の受動的な放射冷却パネルの代替となる態様を示す断面側面図である。 図３は、図２の受動的な放射冷却パネルに利用される上側反射層の光学特性を示す図である。 図４は、本発明の別の実施形態にかかるテーパー形状のナノ細孔型メタマテリアルナノ構造を含む単純化された超黒色材料を示す断面側面図である。 図５は、本発明の別の実施形態にかかる金属めっきされたテーパー形状のナノ細孔を含む単純化された超黒色材料を示す断面側面図である。 図６は、本発明の現実的な実施形態にかかる改変されたＡＡＯ自己組織化技術を用いて作られた金属めっきされたテーパー形状のナノ細孔を含む超黒色材料を示す断面側面図である。 図７は、図６のエミッタ層に利用されるエミッタ層の例示的な光学特性を示す図である。 図８は、六角形パターンに整列したナノ細孔の例示的な配列を示す上面図である。 図９は、本発明の代替的な実施形態にかかる逆テーパー形状のナノ細孔を含む超黒色材料を示す断面側面図である。

本発明は、受動的な反射冷却の改善に関する。以下の記載は、特定の用途およびその要求事項という観点で与えられるように、当業者が本発明を製造し、使用することができるように提示される。本明細書で使用される場合、「上側」、「上向きの」、「下側」、「下向きの」、「上部」および「底部」のような向きを表す用語は、記載の目的のために相対的な位置を与えることを意図しており、必ずしも、参照の絶対的な構造を示すことを意図していない。好ましい実施形態に対する種々の改変は、当業者には明らかであろう。本明細書に定義される一般的な原理が、他の実施形態に適用されてもよい。従って、本発明は、示され、記載される特定の実施形態に限定することを意図しておらず、本明細書に開示される原理および新規の特徴と一致する最も広い範囲が与えられるべきである。

図１は、本発明の一般化された実施形態にかかる例示的な受動的な放射冷却パネル１００を示す斜視図であり、図２は、パネル１００をさらに詳細に示す部分的に分解された断面側面図である。

図１を参照すると、パネル１００は、放射エネルギーＲＥを発生するように構成されたエミッタ（下側）層１１０と、日射を反射するように構成された反射（上側）層１２０の少なくとも２つの層を含む積層構造である。エミッタ層１１０と反射層１２０は、好ましくは、エミッタ層１１０から反射層１２０への放射エネルギーＲＥの伝達を促進するために、互いに直接接触しているが、任意要素の介在層１３０（例えば、接着剤または選択的なフィルタ材料の層）によって分割されていてもよい。現実的な設定において、パネル１００は、放射層１１０の底部表面１１１が、地表に面し（すなわち、下向きであり）、反射層１２０の上部表面１２２が空（すなわち、上側）に面するように、水平面に揃えられている。パネル１００の総冷却力は、その水平方向の大きさ（すなわち、パネル長さＬ_Ｐ×パネル幅Ｗ_Ｐ）に比例するため、実際の考慮事項（すなわち、所与の用途に必要な総冷却力、実際の処理の制限事項など）によって決定される。例示的な実施形態において、パネル１００の公称サイズは、１ｍ^２である。パネル１００の合計厚みＴ_Ｐ（図面では縮尺通りに描かれていない）は、実際の製造の考慮事項によって決定されるが、一般的に、材料コストおよびパネルの重量を最小限にするために可能な限り小さくされ、以下に述べる現実的な実施形態では、１ｍｍ〜１０ｍｍの範囲であってもよい。

図２は、昼間の動作中のパネル１００を示す（すなわち、入射日射ＩＳＲが、太陽によって上部表面１２２に向かう）。図２の下側部分を参照すると、放射層１１０は、底部表面１１１および対向する上部表面１１２を有するベース材料層１１３を含み、上部表面１１２は、反射層１２０の下側（下向きの）表面１２１に面する。記述の目的のために、エミッタ層１１０が、反射層１２０から分割されているものとして示されており、上部表面１１２は、典型的には、下側表面１２１と接していることを注記しておく。

本発明の一態様によれば、エミッタ層１１０は、適切なベース材料１１３に配置されるか、または他の様式で作られ、上部表面１１２から（すなわち、反射層１１２に対して上側に）伝達された放射エネルギーＲＥを放出することによって放熱するように構成されたメタマテリアルナノ構造１１８（すなわち、調整された光学特性を有するように波長未満で設計された構造）を含むメタマテリアルによって改良された材料を用いて実施される。本発明の別の態様によれば、エミッタ層１１０は、放出される放射エネルギーＲＥの少なくともいくらか（ここでは、ＲＥ−ＡＴＷ部分と呼ばれる）が、１つ以上の大気の透明窓に対応する周波数／波長で作られるように構成される。すなわち、大気の透明窓（ＡＴＷ）の放射エネルギー部分ＲＥ−ＡＴＷは、既知の大気の透明窓に含まれる波長、例えば、８μｍ〜１３μｍの範囲（主要なＡＴＷに対応する、および／または１６μｍ〜２８μｍの範囲）を有する放射エネルギーのみを含む。放射エネルギーＲＥは、少なくともＲＥ−ＡＴＷ部分が、反射層１２０を通過し、上側表面１２２から、下側の大気を通り、地球表面から冷たい近くの空間ＣＮＳに伝達されるように、エミッタ層１１０の上部表面１１２から放出される。すなわち、放射エネルギー部分ＲＥ−ＡＴＷが、１つ以上の大気の透明窓に関連する周波数を有するため、地球の大気を通り、吸収、再放出されることなく、従って、パネル１００の上の大気を熱することなく、空間へと直接通っていく。従って、パネル１００は、放射エネルギー部分ＲＥ−ＡＴＷが、（例えば、入射日射ＩＳＲによって）受ける熱よりも速く、パネル１００から熱エネルギーＴＥを放出するとき、正味の冷却効果を達成する。

現時点で好ましい実施形態において、エミッタ層１１０は、メタマテリアルナノ構造１１８がベース材料層１１３の上の超黒色メタマテリアルに由来するパターンに配置されるように製造され、それによって、熱エネルギーＴＥを放射エネルギーＲＥに変換する機能を有する超黒色材料を作成する。ある実施形態において、メタマテリアルナノ構造１１８は、ナノ細孔、または他の針状、樹状物状または多孔性の粗い表面、カーボンナノチューブの密集物、または他の黒色膜を含む（例えば、黒色のクロム、黒色のケイ素、黒色の銅、ニッケルリン（ＮｉＰ）アロイ）。現時点で好ましい実施形態において、メタマテリアルナノ構造１１８のサイズ、形状および空間が、１単位に近い放射率で放射エネルギー部分ＲＥ−ＡＴＷを発生させる光学特徴を与えるように、任意のこのような超黒色材料が製造される（すなわち、エミッタ１１０の超黒色材料は、放射率が０．９９８以上の放射エネルギー部分ＲＥ−ＡＴＷを発生する）。

図２を再び参照すると、反射層１２０は、上向きの表面１２２に向かう入射日射ＩＳＲを反射することによって、エミッタ層１１０を日射から遮蔽する機能を有し、同時に、エミッタ層１１０から上向きに放出される放射エネルギー部分ＲＥ−ＡＴＷを少なくとも伝達する（すなわち、下向きの表面１２１から上向きの表面１２２へと通過する）。一実施形態において、反射層１２０は、入射日射ＩＳＲの少なくとも９４％を反射するように構成される。好ましい実施形態において、反射層１２０は、全体として入射日射を反射し、図３に示されるグラフに示されるものと同様の特徴を有するＡＴＷ放射エネルギーを伝達するように構成された複数の部分層１２５を含む分布したＢｒａｇｇ反射器を備える。すなわち、好ましい実施形態において、反射層１２０は、０．８以上の反射率値で０〜２μｍの範囲の波長を有する入射日射ＩＳＲの反射率を示し、ＡＴＷエネルギー部分ＲＥ−ＡＴＷを効果的に伝達／通過させる（すなわち、８〜１３μｍの主要なＡＴＷの少なくとも放射エネルギーについて０．２以下の反射率を示す）。ある実施形態において、太陽光の集光（ＣＳＰ）コレクタに現時点で使用される市販のソーラー鏡面膜（例えば、セントポール、ミネソタ、米国の３Ｍ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎまたはアーバダ、コロラド、米国のＲｅｆｌｅｃＴｅｃｈ，Ｉｎｃ．によって製造されるソーラー膜）は、望ましいスペクトルに十分に近いスペクトル特徴を示し、例えば、任意要素の介在する接着剤層によってエミッタ層１１０の上部表面１１２に高い費用対効果で固定されてもよい。ＡＴＷ放射エネルギーのみを選択的に伝達する反射層を必要とする他の実施形態において、特注の反射層が必要な場合がある。

再び図２を参照すると、パネル１００から放出される例示的な放射エネルギーＲＥは、放射エネルギー部分ＲＥ−ＡＴＷと、他の（非ＡＴＷ）部分（すなわち、ＡＴＷ窓の外側の周波数を有する放射エネルギー）の両方を含む。本発明に従って作られた受動的な放射冷却パネル１００Ａは、ＡＴＷ放射エネルギー部分に加え、ある種の非ＡＴＷ放射エネルギー（すなわち、ＡＴＷ窓の外側の周波数を有する放射エネルギー）を放出してもよいが、好ましい実施形態において、実質的にすべての非ＡＴＷ放射エネルギーが除外される。

図２Ａおよび図２Ｂは、それぞれ、放射エネルギーＲＥ−ＡＴＷのみの（すなわち、上側表面１２２から放出されるすべての放射エネルギーが、ＡＴＷ窓の中の波長／周波数を有する）２つの代替的な実施形態を実施するパネル１００Ａ−１および１００Ａ−２を示す。図２Ａにおいて、パネル１００Ａ−１は、低コスト超黒色材料を用いて実施されるエミッタ層１１０Ａ−１を含み、メタマテリアルナノ構造１１８Ａ−１は、広帯域の放射エネルギー（すなわち、大気の透明窓の内側および外側の両方の周波数を有する）を放出するように構成され、上側反射層１２０Ａ−１は、放射エネルギー部分ＲＥ−ＡＴＷ（例えば、８〜１３μｍの範囲および／または１６〜２８μｍの範囲の波長を有する広帯域放射エネルギーの一部）のみを選択的に伝達し、すべての非ＡＴＷ放射エネルギー（例えば、７μｍ未満、１４μｍ〜１５μｍ、または１７μｍより長い波長を有する）を遮断するように構成される。図２Ｂにおいて、パネル１１０Ａ−２は、特別に製造された超黒色材料を含むエミッタ層１１０Ａ−２を含み、メタマテリアルナノ構造１１８Ａ−２は、１つ以上の大気の透明窓と関連する波長を有する放射エネルギーのみを発生するように構成され、それによって、反射層１２０Ａ−２は、反射層１２０Ａ−１によって要求されるよりも低い選択的な伝達許容性を有する反射材料によって実施されてもよい。

図４は、エミッタ層１１０Ｂが、ベース材料１１３Ｂ内で規定されるテーパー形状のナノ細孔の配列を含む超黒色材料（メタマテリアルナノ構造）１１８Ｂであり、それぞれのテーパー形状のナノ細孔１１８Ｂが、上部エミッタ表面１１２Ｂを通って規定される開放した上側末端１１８Ｂ−１と、ベース材料１１３Ｂの内側に配置される閉じた下側末端１１８Ｂ−２と、開放した上側末端１１８Ｂ−１と閉じた下側末端１１８Ｂ−２との間に延びる実質的に円錐形の側壁１１８Ｂ−３を有する穴状の空洞である、本発明の一実施形態にかかるパネル１００Ｂを示す部分的な断面側面図である。この実施形態において、円錐形の側壁１１８Ｂ−３の直径が、それぞれのテーパー形状のナノ細孔の内側で小さくなる（すなわち、上部表面１１２Ｂからの距離に比例して小さくなる）ように、開放した上側末端１１８Ｂ−１は、閉じた下側末端１１８Ｂ−２より大きな直径を有する。適切なサイズ（例えば、公称幅Ｗ_ＮＯＭが１００ｎｍ〜１μｍの範囲である）を有するテーパー形状のナノ細孔１１８Ｂの使用によって、テーパー形状の構造は、屈折率（グレーテッドインデックス媒体）をなめらかに効果的に変動させ、フレネル反射を防ぐため、高い放射率で、８μｍ〜１３μｍおよび１６μｍ〜２８μｍの範囲の少なくとも１つの大気の透明窓の波長範囲内の波長を有する放射エネルギーを放出することができる優れた超黒色材料の製造を容易にする。

図５は、エミッタ層１１０Ｃが、金属めっきされたテーパー形状のナノ細孔１１８Ｃの配列を含む超黒色材料である本発明の一実施形態にかかるパネル１００Ｃを示す部分的な断面側面図である。この実施形態において、めっきされた金属層１１６Ｃが、テーパー形状の側壁１１８Ｃ−３の上に（すなわち、それぞれの金属めっきされたテーパー形状のナノ細孔１１８Ｃの内側に）作られるように、エミッタ層１１０Ｃは、ベース材料層１１３Ｃと、ベース材料層１１３Ｃの上側表面に配置されためっきされた金属層１１６Ｃとを含む。めっきされた金属層１１６Ｃは、典型的には、ベース材料層１１３Ｃを生成する金属とは異なる金属を含む。インピーダンス整合に加え、めっきされた金属層１１６Ｃによって、金属コーティングされたテーパー形状のナノ細孔１１８Ｃの性能を向上させ、めっきされた金属は、超黒色材料の内側の光を散乱させるのに役立ち、このことは、顕著にＡＴＷ放射エネルギーの放出に寄与する。これに加えて、めっきされた金属層１１６Ｃの屈折率の大きな虚数部は、テーパー形状のナノ細孔１１８Ｃの内側の光を弱めることに寄与し、上部表面１１２Ｃから低い反射率が得られ、物理的にこの表面はきわめて暗い外観となる。例示的な実施形態において、ベース金属層１１３Ｃは、アルミニウムを用いて実施され、めっきされた（第２の）金属層１１６Ｃは、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）および金（Ａｇ）のうち１つ以上を含む。

図６は、金属めっきされたテーパー形状のナノ細孔１１８Ｄが、ベース材料層１１３Ｄの上に作られ、ベース材料層１１３Ｄが、アルミニウム層１１４Ｄと、アルミニウム層１１４Ｄの上に配置された酸化アルミニウム層１１５Ｄとを含み、テーパー形状のナノ細孔１１８Ｄは、酸化アルミニウム層１１５Ｄの中に完全に規定される、本発明の別の実施形態にかかるパネル１００Ｄのエミッタ層１１０Ｄを示す部分的な断面側面図である。エミッタ層１１０Ｄは、改変された陽極の酸化アルミニウム（ＡＡＯ）自己組織化テンプレート技術を用いて製造され、アルミニウム層１１４Ｄが酸で陽極酸化され、アルミナ層１１５Ｄが、図７に示される配列と同様の自己生成した六角形に充填されたナノ細孔の配列を含むように、多孔性アルミナ（酸化アルミニウム）層１１５Ｄが生成する。このように、陽極酸化中に処理パラメータを徐々に変えることによって、テーパー形状のナノ細孔１１８Ｄは、アルミナ生成プロセス中に全体的に製造される。この方法によって作られるそれぞれのテーパー形状のナノ細孔１１８Ｄのピッチおよび直径（公称幅Ｗ_ＮＯＭ）は、陽極酸化電圧および処理条件に依存して変わり、一方、それぞれのナノ細孔の高さは、陽極酸化時間によって制御される。このＡＡＯ方法は、高スループットであり、ボトムアップであり、波長未満の（例えば、５０ｎｍ未満）の非常に高いアスペクト比（１：１０００）を有するテーパー形状のナノ細孔を製造するための低コストの製造方法である。受動的な放射冷却は、現実的な用途（例えば、発電所での乾式冷却）を行うとき、本質的に大きな領域（すなわち、平方キロメートル）のパネルを必要とするため、受動的な放射冷却パネルを開発するための主な技術的、経済的課題は、高い費用対効果でパネルを大量生産する能力にある。ＡＡＯ自己組織化テンプレート技術を用いてテーパー形状のナノ細孔１１８Ｄを作成し、次いで、上述の様式でアルミナ層１１５Ｄの上に第２の金属１１６Ｄ（例えば、Ｎｉ、ＣｕまたはＡｇ）を無電解めっきすることによってエミッタ層１１０Ｄを作成することによって、費用対効果の高いロールツーロール大量生産製造技術を用い、受動的な放射冷却パネル１００Ｄの低コストの大量生産を容易にする様式で、優れた金属コーティングされたテーパー形状のナノ細孔が高い効率で製造される。図８の点線は、有限要素法（ＦＥＭ）のシミュレーションを用いて作られた放射率値を示し、エミッタ層１１０Ｄが、８μｍ〜１３μｍの大気の透明窓で１単位に近い放射率を示すことを示す。パネル１００Ｄの製造に関するさらなる詳細は、共有する同時係属中の米国特許出願第１４／７４００３２号、表題ＰＲＯＤＵＣＩＮＧ ＲＡＤＩＡＴＩＶＥ ＣＯＯＬＩＮＧ ＰＡＮＥＬＳ ＡＮＤ ＭＯＤＵＬＥＳに与えられる。

本発明を、特定の具体的な実施形態に関して記載してきたが、本発明の特徴を他の実施形態にも適用することができ、そのすべてが本発明の範囲に含まれることを意図していることは当業者には明らかであろう。例えば、テーパー形状のナノ細孔を具体的に参照しつつ本発明が記載されているが、適切なエミッタ層は、別の種類のメタマテリアルナノ構造（例えば、ナノワイヤ）を利用する超黒色材料を含んでいてもよい。さらに、上述の小さくなっていくテーパー形状のナノ細孔の代わりに、他のナノ細孔の構造が使用されてもよい。例えば、図９は、それぞれのテーパー形状のナノ細孔１１８Ｅのテーパーの向きが、上述の実施形態の小さくなっていくテーパーとは反対である別の実施形態に従って作られた受動的な放射冷却パネル１００Ｅのエミッタ層１１０Ｅを示す断面側面図である。具体的に、それぞれの逆テーパー形状のナノ細孔１１８Ｅの開放した上側末端１１８Ｅ−１は、閉じた下側末端１１８Ｅ−２より小さく、それによって、円錐形の側壁１１８Ｅ−３の直径は、それぞれのテーパー形状のナノ細孔１１８Ｅ内部で徐々に大きくなる。逆テーパー形状のナノ細孔１１８Ｅは、上述のＡＡＯ自己組織化プロセスの改変された態様を用いて（すなわち、アルミニウム下側層１１４Ｅと、上側酸化アルミニウム層１１５Ｅとを含むベース材料層１１３Ｅを用いて）製造することができると考えられ、上述の金属めっきプロセスも支持する（すなわち、めっきされた金属層１１６Ｅが、上側表面１１２Ｅの上と、それぞれの逆テーパー形状のナノ細孔１１８Ｅの内側に作られる）。逆テーパー形状のナノ細孔１１８Ｅは、製造可能であると考えられ、また、優れた超黒色光学特性を潜在的に提供すると考えられる。

Claims (10)

1. 受動的な放射冷却パネルであって、
   その表面から放出される放射エネルギーを発生させることによって放熱するように構成された複数のメタマテリアルナノ構造を有し、このメタマテリアルナノ構造が、さらに、前記発生した放射エネルギーのうち、１つ以上の大気の透明窓に対応する波長を有する少なくとも一部が、少なくとも０．９９８の放射率で放出されるように構成されるエミッタ層と；
   前記エミッタ層の前記表面に面する下向きの表面と、対向する上向きの表面とを有し、前記上向きの表面に向かう入射日射を反射し、前記エミッタ層から放出される前記放射エネルギーの少なくとも前記一部を伝達するように構成され、それによって、前記放射エネルギーの前記一部が、前記上側層の前記上向きの表面を通って伝達される上側層とを含む、受動的な放射冷却パネル。
2. 前記エミッタ層が、前記放射エネルギーのうち、前記１つ以上の大気の透明窓に対応する波長を有する前記一部を発生させるように構成された超黒色メタマテリアルに由来するパターン中に整列した前記メタマテリアルナノ構造の配列を含むベース材料層を含む、請求項１に記載の受動的な放射冷却パネル。
3. 前記超黒色メタマテリアルに由来するパターンが、さらに、前記放射エネルギーのうち、８μｍ〜１３μｍおよび１６μｍ〜２８μｍを含む範囲の波長を有する前記一部を発生させるように構成される、請求項２に記載の受動的な放射冷却パネル。
4. 受動的な放射冷却パネルであって、
   放射エネルギーの少なくとも一部が８μｍ〜１３μｍの範囲の波長を有するように、熱エネルギーを前記放射エネルギーに変換するように構成された超黒色材料を含み、前記超黒色材料が、さらに、前記放射エネルギーの前記一部が少なくとも０．９９８の放射率で発生するように構成された、エミッタ層と；
   その下側表面で前記放射エネルギーを受け入れるように配置され、その上側表面に向かう入射日射を反射するように構成される上側層とを含み、前記上側層は、さらに、前記放出される放射エネルギー部分が前記上側表面から伝達されるように、前記放射エネルギーのうち、８μｍ〜１３μｍの範囲の波長を有する前記一部が通過するように構成される、受動的な放射冷却パネル。
5. 超黒色材料は、ベース材料層の中に規定されるテーパー形状のナノ細孔の配列を含む、請求項４に記載の受動的な放射冷却パネル。
6. 前記テーパー形状のナノ細孔のそれぞれの公称幅が、１００ｎｍ〜１ミクロンの範囲である、請求項５に記載の受動的な放射冷却パネル。
7. 前記ベース材料層は、第１の金属を含み、前記エミッタ層は、前記ベース材料層の表面上と、前記テーパー形状のナノ細孔のそれぞれの内側に配置された、めっきされた金属層をさらに含み、前記めっきされた金属層は、前記第１の金属とは異なる第２の金属を含む、請求項５に記載の受動的な放射冷却パネル。
8. 受動的な反射冷却方法であって、
   メタマテリアルナノ構造を利用し、放出される放射エネルギーの少なくとも一部が大気の透明窓の波長を含むように前記放射エネルギーを放出することと；
   入射日射の少なくとも９４％を反射するように構成され、さらに、前記放射エネルギーの一部を伝達するように構成される上側層を用い、前記メタマテリアルナノ構造を前記入射日射から遮蔽し、それによって、前記一部が、前記上側層から近くの冷たい空間に伝達される、受動的な反射冷却方法。
9. メタマテリアルナノ構造を利用し、放射エネルギーを放出することが、熱エネルギーを前記放射エネルギーの前記一部に変換するように構成された超黒色材料を利用することを含む、請求項８に記載の方法。
10. 前記メタマテリアルナノ構造を利用することは、８μｍ〜１３μｍおよび１６μｍ〜２８μｍの大気の透明窓の波長範囲の少なくとも１つの波長を有する前記放射エネルギーの前記一部を発生させるように構成されたテーパー形状のナノ細孔を利用することを含む、請求項９に記載の方法。

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