JP2019066101A

JP2019066101A - 天空放射冷却装置

Info

Publication number: JP2019066101A
Application number: JP2017192247A
Authority: JP
Inventors: 研介藤村; Kensuke Fujimura
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2017-09-29
Filing date: 2017-09-29
Publication date: 2019-04-25

Abstract

【課題】屋外に設置され天空へ向けての放射熱伝達により冷却効果を得る天空放射冷却装置において、太陽光の反射と赤外線の放射を簡便、安価な手段で両立させる。【解決手段】太陽光波長域での分光透過率が高く且つ遠赤外線領域での分光放射率が高い、選択透過性を有する選択透過層（１）と、その片面に密着して設けられた反射層（２）により放射体を構成する。冷却対象（３）から放射体へと熱伝導（５）により伝わった熱は、最終的に選択透過層（１）の表面から赤外線（６）として天空へ向けて放射される。一方、太陽光（７）は選択透過層（１）を透過するが、背面の反射層（２）で反射され、反射光（８）は再び選択透過層（１）を透過して外部へと逃されるため、放射体や冷却対象（３）はこれにより加熱されることがない。【選択図】図１

Description

本発明は、天空放射冷却現象を利用した冷却装置に関するものである。

伝熱の三形態の内、唯一放射熱伝達は空間を隔てて熱の授受が可能な伝熱様式である。天空放射冷却現象は常温の地表面と極低温の天空との間で、主として波長１０マイクロメートル付近の赤外線を媒介とした放射熱伝達が生じることにより、地表面が冷却される自然現象である。この現象は特に晴天夜間に顕著に生じ、気温が氷点下にならなくても降霜や路面凍結が発生する原因などとしてよく知られている。天空放射冷却による冷却量は、気象条件によって変動はあるものの、日没後にはおおよそ６０ワット／平方メートルの天空放射冷却が生じていることが発明者の調査により観測された。エネルギー源の多様化が求められる近年、冷蔵庫や冷房装置に代表される冷熱需要の供給源として、天空放射冷却現象の産業利用への期待が高まっている。

従来の放射冷却装置では、天空に向けて設置される赤外放射源として、放射率を高めるために黒色に塗装された金属または樹脂製の放射体が用いられることが専らである。しかしながら、黒色塗装は赤外線の放射率のみならず太陽光の吸収率も同様に高く、日中は直射日光や散乱光を吸収して逆に熱せられてしまう問題がある。この問題を回避するため、日中は人力または機械装置によりアルミニウム板等の反射材で放射体をカバーするか、もしくは直射日光の当たらない日陰に限って設置するといった手段が取られている。

また、放射する赤外線と照射される太陽光の波長の違いを利用し、赤外線は放射しつつ太陽光は反射する、選択反射性を持たせることで日中の受熱を防ぐ試みもなされている。このような選択反射は、高放射率の放射体の上部を、選択透過性を持つ光学フィルターで覆うことで実現できる他、放射体自体の表面にナノ構造を造形することにより同様の選択反射性を得る技術が開発されている（「OPTICS EXPRESS」Vol.25，No.12，612〜627p，2017）。

特開２００２−８９９７５号公報特開２００３−１８５３１４号公報特開２００３−１９４３６９号公報実開平２―１６９９１号公報実用新案登録第３１６１８０９号公報

藤村靖之著「エコライフ＆スローライフのための愉しい非電化」洋泉社２００６年

天空放射冷却装置は未だ研究段階にあり、冷却装置として広く実用化されるためにはなお幾つかの課題を解決する必要がある。例えば、前記のように人力または機械装置で日夜反射カバーを開閉するのは煩雑であり、装置の構造も複雑になりやすい。また、高度な技術により製造された選択反射材は総じて製造コストが高く、普及の上でのネックになっている。

本発明は以上の事情に鑑み為されたもので、その解決せんとする課題は、屋外に設置された天空放射冷却装置において、反射カバーを開閉する手間をかけたり、高価な材料を使用したりすることなく、安価で入手性のよい材料を用いて日中の太陽光による受熱を大幅に軽減し、かつ赤外線の放射率を損なわない手段を見出すことにある。

太陽光反射率が高く赤外線放射率が高いという選択反射性を有する素材は高度な技術で特別に作られたものを除きほとんど存在しない一方で、太陽光透過率が高く赤外線放射率が高いという選択透過性を有する素材は、ガラス、アクリル、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリプロピレン、ポリカーボネートなど身近に多数存在する。本発明では、これらの選択透過性を有する素材で作られた透明平板の片面に銀やアルミニウムのような高反射率の薄膜を塗布あるいは蒸着といった手段で密着形成することで、その性質を反転させ、本目的に合致した選択反射構造、すなわち太陽光を反射しつつ赤外線を放射することができる放射体を実現した。この放射体を天空に面した屋外、例えば建物の屋上やバルコニーなどに設置し、蓄冷体または冷媒が循環する配管などと適宜組み合わせることで、電気や化石燃料を用いずに外気温以下に冷却することができる天空放射冷却装置を実現することができる。

本発明により、天空放射冷却現象を利用した放射冷却装置において、赤外放射率を損なうことなく太陽光を反射する安価で簡便な手段が実現された。

本発明の天空放射冷却装置の基本構造と基本的な実施形態を示した説明図である。放射体の上部に赤外透過カバーを設けることを特徴とした、本発明の別な実施形態を示した説明図である。放射体の周囲に外部からの赤外線を遮蔽するリフレクターを設けることを特徴とした、本発明の別な実施形態を示した説明図である。選択透過層および反射層がチューブ型に構成され、内部に冷媒が通過することを特徴とした、本発明の別な実施形態を示した説明図である。冷媒自体が選択透過層の機能を兼ね備えることを特徴とした、本発明の別な実施形態を示した説明図である。選択透過層の機能を兼ね備える冷媒が赤外透過チューブ内を通過することを特徴とした、本発明の別な実施形態を示した説明図である。

以下、本発明を添付図面に基づき詳細に説明する。

本発明による放射体は、図１で示されるように、選択透過層（１）とそれに密接する反射層（２）により構成され、蓄冷体あるいは冷媒といった冷却対象（３）に接触させ、天空に向けて設置される。冷却対象（３）の熱は熱伝導（５）によって放射体に伝わる。このとき、反射層（２）は極めて薄く熱抵抗が微小であることから、熱伝導をほとんど妨げることがない。放射体に伝わった熱は、選択透過層（１）の表面から赤外線（６）として天空へ向けて放射される。選択透過層（１）には、例えばガラス、アクリル、ポリカーボネートなどの波長１０マイクロメートル前後の分光放射率の高いものを用いれば、黒色塗装に匹敵する赤外放射効率を実現できる。その一方で、外部から照射される太陽光（７）は選択透過層（１）を透過するが、その背面の反射層（２）で反射される。反射光（８）は再び透過層（１）を通り抜けて外部へと逃される。このため、選択透過層（１）で僅かに吸収されるものを除けば、太陽光による熱を遮ることができる。周辺外気からの熱の浸入を防ぐため、冷却対象（３）は放射体（１）と接する面を除いて断熱材（４）で囲うのが望ましい。

なお、この放射体に用いられる選択透過層（１）の片面に反射層（２）を有する平板は、鏡として市場に安価で大量に流通しており、その入手は極めて容易である。一般的な鏡がそうであるように、反射層（２）の背面に更に銅膜や保護塗料膜を重ねると反射層（２）の腐食を防ぎ耐久性を高めることができる。これらの保護層は比較的厚みが薄いものであれば熱伝導への影響は小さい。

同様の構造を実現する別の手段として、反射率の高い金属板を反射層（２）とし、その表面上に選択透過性を有するガラスまたは樹脂の薄膜を塗装あるいは蒸着などの方法により形成して選択透過層（１）としてもよい。

前記選択透過層（１）は必ずしも固体である必要はなく、例えば水の膜などであってもよい。更には、液体である選択透過層（１）が蓄冷体または冷媒の機能を兼ねていてもよい。

前記冷却対象（３）については形状に限定はない。固体、液体、ゲル状などいずれの状態の物質であっても構わないし、潜熱蓄熱材のように温度変化に応じて相変化を伴うものを用いてもよい。自然対流または強制対流により循環する冷媒を、放射体に直接または配管などを介して熱的に接触させて冷却対象（３）としてもよい。また、冷却対象（３）はそのサイズについても限定はなく、例えば家屋全体などであってもよい。

放射体が天空放射冷却により外気温よりも低温になると、外気との温度差に比例して外気から放射体へと熱の浸入が生じる。これを抑制するため、図２に示されるように放射板の上部に赤外透過材料で作られた透過カバー（１０）を設けることが望ましい。このとき、選択透過層（１）と透過カバー（１０）との間に中空層（１１）を設けるようにすると断熱効果を高めることができる。透過カバー（１０）は複層に重ねることで更に断熱性を高めることができるが、赤外透過率とのトレードオフとなる。そのため、素材や厚さにもよるが一般に３層または４層程度に重ねるのが最適である。透過カバー（１０）の支持材（９）は、側面からの熱浸入を抑制するため断熱性の高い素材で作られ、また支持材（９）からの赤外放射が放射体に照射されるのを防ぐため、支持材（９）の少なくとも内側表面は金属でコーティングするか、金属薄板を内張りするなどの対策を施すことが望ましい。透過カバー（１０）または選択透過層（１）の表面に結露が生じると赤外透過率が損なわれるため、中空層（１１）は予め水分を含まない乾燥空気や窒素ガス、アルゴンガスなどを封入しておくか、またはシリカゲル等の除湿剤（１２）を合わせて封入してもよく、また真空であってもよい。

透過カバー（１０）に用いられる赤外透過材料の例として、低密度ポリエチレンフィルム、高密度ポリエチレンフィルム、超高分子量ポリエチレンフィルム、ポリプロピレンフィルム、二軸延伸ポリプロピレンフィルムなどが挙げられる。また、赤外透過率はやや劣るものの、耐候性に優れる四フッ化エチレンを用いることも考えられる。一方、ゲルマニウム、ダイヤモンド、臭化カリウム、フッ化バリウム、セレン化亜鉛、硫化亜鉛、カルコゲナイドガラス、などの遠赤外透過用光学素材も透過カバー（１０）の材料として用いることができるが、非常に高価であるため研究等の特殊な用途を除けばコストに見合わない。

放射冷却装置は天空に面している必要があり、周辺に樹木や建造物などの遮蔽物のない開けた空間に設置されることが望ましい。遮蔽物が存在すると、遮蔽物から放射された赤外線が放射冷却装置に照射され、冷却性能を損なうことがある。このような場合は、図３で示されるように、放射冷却装置の周囲にアルミニウムやステンレスなどの金属製のリフレクター（１３）を設けることで遮蔽物からの赤外線（１４）を防ぐことができる。リフレクター（１３）自身が赤外線を放射しては目的を達することができないので、リフレクターの少なくとも放射体に面する表面は放射率の低い金属で作られる必要がある。

前記リフレクター（１３）の形状および構造は図示した平板状に限定されず、円弧状や筒状などであってもよい。リフレクター（１３）のサイズについても同様に限定はなく、例えば設置場所の周囲に遮蔽物が多い場合は高く煙突状に伸ばしてもよい。

前記放射体の形状は図１から図３に示された平板型に限定されず、例えば図４に示されるようなチューブ型として内部に冷媒（１６）を通してもよい。このような構造とした場合も、実施例２と同様の透過カバー（１０）と断熱材（４）を設けて外気からの熱の侵入を抑制することができる。断熱材（４）の内側が太陽光で加熱されないよう、断熱材の内側表面を金属でコーティングするか、金属薄板を内張りするなどして反射率を高めておくか、または図示されるように断熱材の内部にリフレクター（１５）を設けることが望ましい。

冷却対象そのものが太陽光を透過し且つ赤外放射率が高い選択透過性をもつ物質（例えば水）である場合、図５に示されるように選択透過性冷媒（１７）自体に実施例１から４における選択透過膜と同等の機能を兼ねさせることができる。この場合は、選択透過性冷媒（１７）の底面および側面に反射層（２）を設ける。この構造では、実施例１から４にある選択透過層の熱伝導率に左右されずに天空放射冷却を起こすことができるという利点がある。赤外透過材料で作られた透過カバー（１０）は、中空層（１１）を挟んで設置することで断熱効果を増すことができるが、選択透過性冷媒（１７）の蒸発や透過カバー（１０）の内側表面での結露が問題となる場合は中空層（１１）を設けずに密着させてもよい。また、実施例２と同様に透過カバー（１０）を複層として中空層を挟んで更に重ねてもよく、実施例３と同様にリフレクターを設けてもよい。

実施例５で示されるような天空側に開口のある容器の代わりに、赤外透過チューブ（１８）の内部を選択透過性冷媒（１７）が通過する構造としてもよい。その場合、図６で示されるように、反射層（２）は赤外透過チューブ（１８）から独立して設置してもよい。この実施例においても、前記実施例２と同様に透過カバー（１０）を複層として、中空層を挟んで更に重ねてもよく、実施例３と同様にリフレクターを設けてもよい。赤外透過チューブ（１８）の例としては、軟質ポリエチレンチューブ、硬質ポリエチレンチューブ、架橋ポリエチレンチューブ、超高分子量ポリエチレンチューブ、ポリプロピレンチューブなどが挙げられる。また、赤外透過率はやや劣るものの耐候性に優れる四フッ化エチレンチューブを用いることも考えられる。

太陽光の反射と赤外線放射の両立を簡便、安価な手段で実現することで、設置場所の制約や煩雑な運用から解放され、天空放射冷却の利用範囲が大きく広がる。

１選択透過層
２反射層
３冷却対象
４断熱材
５熱伝導
６赤外線放射
７太陽光
８反射した太陽光
９支持材
１０透過カバー
１１中空層
１２除湿剤
１３リフレクター
１４遮蔽物からの赤外線
１５リフレクター
１６冷媒
１７選択透過性冷媒
１８赤外透過チューブ

Claims

太陽光を透過し赤外線を放射する選択透過層と、その表面の少なくとも一部に形成された反射層からなる放射体を有し、屋外に設置され天空へ向けての放射熱伝達により冷却効果を得る天空放射冷却装置。
放射体の上面に赤外線透過素材で作られたカバーを備え、放射体とカバーとの間に略密閉の中空層を有する請求項１記載の天空放射冷却装置。
放射体の周囲に金属製のリフレクターを備える請求項１または請求項２に記載の天空放射冷却装置。
内部に冷媒が通過するチューブ型の反射層と、該反射層の外側表面に備えた太陽光を透過し赤外線を放射する選択透過層からなる放射体を有し、屋外に設置され天空へ向けての放射熱伝達により冷却効果を得る天空放射冷却装置。
選択透過層の可視光透過率が８０％以上且つ波長１０マイクロメートルにおける分光放射率が９０％以上であり、尚且つ反射層の可視光反射率が９０％以上である請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の天空放射冷却装置。
屋外に設置され天空へ向けての放射熱伝達により冷却効果を得る装置であって、内部を冷媒が通過するチューブと金属製のリフレクターを備え、該冷媒が太陽光を透過し赤外線を放射する選択透過性を有し、且つ該チューブが赤外線を透過する素材で作られた天空放射冷却装置。
チューブがポリエチレン類またはポリプロピレン類にて構成されていることを特徴とする請求項６に記載の天空放射冷却装置。
冷媒の可視光透過率が８０％以上且つ波長１０マイクロメートルにおける分光放射率が９０％以上であることを特徴とする請求項６または請求項７に記載の天空放射冷却装置。
蓄冷体または冷媒と断熱ケースを更に備えることを特徴とする、請求項１から請求項８までのいずれか１項に記載の天空放射冷却装置。
請求項１から請求項３に記載の放射体を、ガラスまたは樹脂製の鏡を用いて製造することを特徴とした天空放射冷却装置の製造方法。
請求項１から請求項３に記載の放射体を、アルミニウム板またはステンレス鋼板の表面に樹脂薄膜を形成して製造することを特徴とした天空放射冷却装置の製造方法。