JP2020201014A - 冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】波長選択性を有する放射体を備える冷却装置において、冷却効率を向上させること。【解決手段】特定波長の電磁波を選択的に放射可能であるとともに、表面に凹凸構造を有する放射体を備える、冷却装置である。前記凹凸構造は、山部と谷部が所定方向に交互に連続して配置された構造であることが好ましい。【選択図】図１

Description

本発明は、冷却装置に関する。

従来、放射を利用した冷暖房装置に関し、放射される赤外線の波長を制御し、人体等の被加熱物に吸収されやすい特定波長の赤外線を放射の主波長とするとともに、放射される赤外線の指向性を高め、被加熱物に向けて選択的に加熱を行うことで冷暖房の効率を向上させる技術が提案されている。

特許文献１には、熱交換パイプに接するように熱伝導シートを折り曲げて配置することで放射パネルへの接触面積を増大させて伝熱量を増やし、冷暖房の効率を高める技術が開示されている。

また、特許文献２には、地球上の大気が特定波長の赤外線を吸収せずに透過することや、粒子を混合したポリマー層に金属反射層を合わせたフィルムによって、波長選択的な放射冷却が可能であることが開示されている。

特許６３７２００４号公報 国際公開２０１７／１５１５１４号公報

しかしながら、特許文献２に記載の折り曲げた構造を有する熱伝導体においては、熱伝導体から放射された赤外線が熱伝導体の他の箇所で吸収されるため、外部との伝熱量が小さくなり冷暖房効率が低減してしまう。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、波長選択性を有する放射体を備える冷却装置において、冷却効率を向上させることを目的とする。

（１） 本発明は、特定波長の電磁波を選択的に放射可能であるとともに、表面に凹凸構造を有する放射体（例えば、後述の放射体３）を備える、冷却装置（例えば、後述の冷却装置１）を提供する。

（２） （１）の発明において、前記凹凸構造は、山部（例えば、後述の山部３５）と谷部（例えば、後述の谷部３３）が所定方向に交互に連続して配置された蛇腹構造であり、前記谷部を構成するとともに対向する２つの面（例えば、後述の向かい合う面３４ａおよび３４ｂ）は、それぞれ異なる波長選択性を有することが好ましい。

（３） （１）の発明において、前記凹凸構造は、山部と谷部が所定方向に交互に連続して配置された蛇腹構造であり、前記谷部を構成するとともに対向する２つの面は、同一の波長選択性を有し、前記２つの面が前記所定方向に延びる面に対してなす角（例えば、後述の角θ）の大きさは同一であり、前記なす角の大きさは７５°以上９０°未満であることが好ましい。

（４） （２）または（３）の発明において、前記２つの面のうち少なくとも一方の面から放射される電磁波の波長は、大気の透過率がゼロより大きい波長領域を一部含むことが好ましい。

（５） （２）〜（４）の発明において、前記２つの面から放射される電磁波の波長は、ともに大気の透過率がゼロより大きい波長領域を一部含むことが好ましい。

（６） （１）〜（５）の発明において、前記放射体は、ポリマー層（例えば、後述のポリマー層３１）と、前記ポリマー層と積層される金属反射層（例えば、後述の金属反射層３２）と、を有して構成され、前記ポリマー層は、分散媒（例えば、後述の分散媒３１２）と、前記分散媒に分散される複数の誘電体粒子（例えば、後述の誘電体粒子３１１）と、を有し、前記誘電体粒子は、二酸化ケイ素、炭酸カルシウム、炭化ケイ素、酸化亜鉛、二酸化チタンおよびアルミナからなる群より選択される少なくとも１種からなることが好ましい。

（７） （６）の発明において、前記分散媒は、４−メチル−１−ペンテンポリマー、４−メチル−１−ペンテンコポリマー、ポリフッ化ビニルおよびポリエチレンテレフタレートからなる群より選択される少なくとも１種からなることが好ましい。

（８） （１）〜（７）の発明において、前記冷却装置は、屋外に設置されるとともに、前記放射体は、宇宙空間に向けて水平よりも上方に放射するよう設置されることが好ましい。

本発明によれば、波長選択性を有する放射体を備える冷却装置において、冷却効率を向上させることが可能になる。

本発明の第１実施形態に係る冷却装置１を設置した建物を模式的に表す図である。 本実施形態に係る冷却装置１を示す図である。 大気中に含まれる気体の赤外線透過率を示すグラフである。 本実施形態に係る放射体３の断面構成を示す図である。 本実施形態に係る放射体３の一例を示す外観斜視図である。 放射体３上のある点から放射される赤外線の進む方向を示す図である。 放射体３からの赤外線放射に係る角度θ_ｋを示す図である。 向かい合う放射体３の波長選択性が同じ場合の、放射体３からの赤外線放射に係る角度θ_ｋを示す図である。 向かい合う放射体３の波長選択性が異なる場合の、放射体３からの赤外線放射に係る角度θ_ｋを示す図である。 面積項の傾斜角θ依存性を表すグラフである。 角度項の傾斜角θ依存性を表すグラフである。 赤外線の放射量の傾斜角θ依存性を表すグラフである。 本発明の第２実施形態に係る放射体１０３を表す図である。 本発明の第３実施形態に係る放射体２０３を表す図である。

以下、本発明の実施形態について説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。

（第１実施形態）
図１は、本実施形態の冷却装置１を建物の屋根に設置した使用例を表す図である。図２は、本発明の第１実施形態に係る冷却装置１を示す図である。
図２に示すように、本実施形態に係る冷却装置１は、収容部２と、放射体３と、を有して構成される。本実施形態に係る冷却装置１は、例えば建物の冷房装置として用いられる。具体的には、例えば、図１に示すように建物の屋根等に設置されて上空へ向けて放射冷却を行う。

収容部２は、放射体３を収容可能な構造を有する。収容部２の材質や形状については特に制限されないが、加熱される放射体３を収容するため、金属や耐熱性樹脂等、一定の耐熱性を有する材質により構成されることが好ましい。収容部２は、例えば、屋根、壁、天井等に埋設されて建物の一部であってもよいし、独立した筐体であってもよい。

放射体３は、熱源から受け取った熱エネルギーを、一定の波長領域を有する電磁波（本実施形態においては、赤外線）として放射する。このとき、放射された赤外線が大気に吸収されてしまうと冷却対象の周囲の気温を上昇させてしまうため、冷却効率が低下する。そのため、熱エネルギーが赤外線放射される場合には、大気に吸収されにくい波長で放射され、宇宙空間に放出されることが好ましい。

大気を透過しにくい波長で放射を行う場合、夏の日中等の高温多湿な時間帯には、放射熱が冷却装置周囲の空気に吸収され、高温の空気から装置に伝熱する結果、放射冷却の効果が感じられにくい。この点、大気に吸収されずに宇宙空間に向けて放射する場合には、空気からの伝熱量が少なくなり、放射冷却の効果をより高く感じることができる。

図３は、大気中に含まれる気体の赤外線透過率を示すグラフである。最下段は、大気の赤外線透過率を示すグラフである。
図３に示すように、大気中の赤外線の透過率は赤外線の波長によって異なり、例えば８〜１３μｍの波長の赤外線は大気には吸収されにくく、大部分が透過される。このような大気を透過可能な波長域は、大気の窓と呼ばれる。したがって、８〜１３μｍの波長の赤外線を水平よりも上方に向けて放射すれば、熱エネルギーを効率よく宇宙空間に放出することができる。

熱エネルギーを放出された熱源は冷却されて、温度が低下する。放射体３に熱を供給する熱源として例えば水や気体等の冷媒を用いれば、放射体３の放射冷却により低温となった冷媒を建物の各部屋を通る熱交換チューブに通し、部屋を冷却した後、再び高温となった冷媒を放射体３によって冷却することで、建物の冷房システムとして利用可能である。

図４は、本実施形態に係る放射体３の断面構成例を示す図である。
放射体３は、例えば図４に示すように、ポリマー層３１と、金属反射層３２とからなる。ポリマー層３１は、複数の誘電体粒子３１１を分散媒３１２中に分散させて構成される。誘電体粒子３１１の粒径や材質、あるいは分散媒の物性を適当に選択することで、所望の波長選択性が得られる。
分散媒３１２は、８〜１３μｍの波長の赤外線を透過させうる材料で構成することが好ましい。大気の窓から熱エネルギーを効率よく宇宙空間に放出させるためである。

例えば、誘電体粒子３１１は、二酸化ケイ素、炭酸カルシウム、炭化ケイ素、酸化亜鉛、二酸化チタン、アルミナからなる群より選択される少なくとも１種からなることが好ましい。また、分散媒３１２は、４−メチル−１−ペンテンポリマー、４−メチル−１−ペンテンコポリマー、ポリフッ化ビニルおよびポリエチレンテレフタレートからなる群より選択される少なくとも１種からなることが好ましい。例えば、三井化学社製のＴＰＸ^ＴＭを用いて分散媒３１２を形成することができる。
波長選択性を有する構造としては、例えば、本実施形態の放射体の他、ＭＩＭ（metal-insulator-metal）構造、キャビティ構造も利用することができる。

図５は、本実施形態に係る放射体３の一例をを示す外観斜視図である。
放射体３の形状により、放射の効率が変化する。すなわち、放射体３に凹凸構造を設けることで、放射体３の表面積を増大させて、放出する熱エネルギーの量を増加させることができる。ただし、凹凸構造を有することによって、自身から放射された赤外線を再吸収してしまうことも考えられる。そのため放射体３は、表面積を増大させつつ、自身から放射された赤外線を再吸収する量が少なくなるような形状および構成であることが好ましい。

具体的には、本実施形態の放射体３の形状は、図５に示すような山部３５と谷部３３が所定方向に交互に連続して配置された蛇腹状に形成される。また図６〜図９は、蛇腹構造のうちの一の谷部３３について断面視したものである。谷部３３の向かい合う面３４ａ、３４ｂは、図６におけるＯＨ平面の点Ｏを通る法線に関して互いに対称に構成され、ＯＨ平面に対してともに角θをなしている（０°＜θ＜９０°）。向かい合う面３４ａ、３４ｂの一つの頂部Ｒから底部Ｏに至るＯＲ面のＯＨ平面への正射影の長さをＬとすると、向かい合う面の頂部Ｒ，Ｒ間の水平方向の距離は２Ｌとなる。本開示においては、この距離を谷部３３の幅とも称する。

図６は、放射体３上のある点から放射される赤外線の進む方向を示す図である。
赤外線は放射体３上の各点から放射状に放射される。図６（ａ）に示すように、面３４ａから放射される赤外線は、そのまま空気中に向けて進む成分Ａと、対向する面３４ｂに向けて進む成分Ｂが存在する。放射体３の谷部３３の向かい合う面３４ａ、３４ｂの波長選択性が同じ場合には、成分Ｂは対向する面３４ｂに吸収される。

放射体３の谷部３３の向かい合う面３４ａ、３４ｂの波長選択性が異なる場合には、図６（ｂ）に示すように、反射してさらに空気中に進む（Ｂ１）か、もしくは対向する右側の面３４ａに向けて進む（Ｂ２）。放射体３の左右の面の波長選択性が同じ場合と比較して、成分Ｂ１の分だけ空気中に放射される赤外線量が多くなるため、冷却効率が向上する。成分Ｂ２は、右側の面３４ａに吸収される。

なお、空気中に放射される成分に対する、対向する面に吸収される成分の比率は、図６中の角度θによって変化する。この角度θが小さくなると吸収される成分の比率は減少し、角度θが大きくなれば吸収される比率は増加する。ただし、角度θが大きければ放射体の表面積が増大するため、放射する赤外線の総量が増加する。冷却効率は赤外線の総量と空気中に放射される成分の比率を総合して算出される必要がある。

ここで、冷却に寄与する赤外線の総量について具体的に数式で考える。赤外線の総量Ｐは、単位面積あたりの放射量ｐ（Ｔ）と、放射体３の面積項Ｌ／cosθと、空気中に放射される角度成分である角度項との積で表され、図６の平面内で考えると赤外線総量は下記式（１）のようになる。なお、Ｐ（Ｔ）は赤外線の放射量が温度に依存することを示し、Ｌおよびθは図６のように定義されるものとする。

…（１）

図７（ａ）および（ｂ）中に示す角度θ_ｋａ,θ_ｋｂは、放射体３の面３４ａ上のある点から放射される赤外線の角度成分群が放射体３の面３４ａとなす角度のうち、空気中に放射されない最大の角度を示す。
同様に、図８および図９中に示す角度θ_１α，θ_２α，．．．（α＝ａ，ｂ）は、放射体３の面３４ａ上の点１，２，．．．から放射される赤外線の角度成分群が、放射体３の面３４ａとなす角度のうち、空気中に放射されない赤外線成分の最大の角度を示す。このうち、図８は面３４ａから面３４ｂに対して放射する成分を示し、図９は面３４ｂから反射して面３４ａに入射する成分を示す。ここで、面３４ａをｎ分割する点を点１，２，．．．ｎとすると、ｎを大きくするほど面３４ａからの放射を精度よく考慮できる。図８および９では、面３４ａを５分割し、点１から５までの５点について図示している。

放射体３の面３４ａ上のある点から放射される赤外線の角度成分群のうち、放射体３の面３４ａとなす角度がθ_ｋよりも大きい角度成分が、空気中に放射されて冷却に寄与する。すなわち、上記式（１）の角度項の意味するところは、（θ_ｋよりも大きい角度成分）／（放射する全角度範囲＝１８０°）である。

角度項を数式で表すと、式（２）のようになる。式（２）は、放射体３の面３４ａをｎ個に分割し、各点についての空気中に放射される角度を足し合わせ、ｎ→∞としたものである。これにより、放射体３の各点から放射状に放射される赤外線のうち、空気中に放射される成分の割合を角度項として表せる。

…（２）

なお、放射体３の左右の面同士の波長選択性が同じ場合と異なる場合について、角度成分の項の算出方法が異なる。放射体３の左右の面同士の波長選択性が同じ場合には、放射された赤外線のうち向かい合う放射体３に入射する成分は吸収されるため、空気中に直接放射される成分のみを角度項として考慮する。すなわち、図７（ａ）に示すθ_ｋａよりも大きい角度を考慮すればよい。

放射体３の左右の面同士の波長選択性が異なる場合には、放射された赤外線のうち、向かい合う放射体３に入射する成分は反射される。反射された成分は、元の放射体３に再帰する成分と、空気中へ反射される成分に分けられるが、前者は吸収されるため、後者のみを角度項に考慮する。すなわち、元の放射体３から空気中に直接放射される成分と、向かい合う放射体３で空気中へ反射される成分との和を角度項として考慮する。このとき、図７（ｂ）に示すθ_ｋｂよりも大きい角度を考慮すればよい。

図１０は、面積項の傾斜角θ依存性を表すグラフである。
上述したように、図６の平面内で考えれば、放射体３の面積項はＬ／cosθで表される。よってθの増加に伴って、面積項は１／cosθ倍となるから、０°＜θ＜９０°において図１０に示すように増加していく。またθ＝０のときの面積項を１とする。

図１１は、角度項の傾斜角θ依存性を表すグラフである。
θ＝０°、すなわち放射体３が凹凸構造を有しない平面構造である場合、放射体３から放射された赤外線はすべて空気中に放出されることとなる。したがって、θ_ｋ＝０°であり、角度項は１８０°／１８０°＝１である。

放射体３の左右の面同士の波長選択性が同じ場合、０°＜θ＜９０°の全範囲において、θの増加に伴って向かい合う放射体３の面に吸収される赤外線の割合が増加し、角度項は小さくなる。

放射体３の左右の面同士の波長選択性が異なる場合、０°＜θ≦４５°のときには、向かい合う放射体３で反射した赤外線は、すべて空気中に反射されることとなるから、放射体３から放射された赤外線はすべて空気中に放出されることとなる。したがって、θ_ｋ＝０°であり、このθの範囲において角度項は常に１となる。４５°＜θ＜９０°の時には、放射体３の左右の面同士の波長選択性が同じ場合と同様に、θの増加に伴って角度項は小さくなる。

図１２は、赤外線の放射量の傾斜角θ依存性を表すグラフである。
これは、式（１）で表される赤外線総量Ｐを計算したものであり、図１０および１１に示す面積項および角度項を掛け合わせたものに比例する。角度項はｎ＝５として幾何光学の原理に基づき、入射角と反射角が等しくなる点を算出した。また、θ＝０°、すなわち放射体３が凹凸構造を有しない平面構造である場合の放射量を１とする。

放射体３の左右の面同士の波長選択性が同じ場合、７５°≦θ＜９０°の範囲において、θ＝０°のときと比較して放射量が増加していることがわかる。さらに放射体３の左右の面同士の波長選択性が異なる場合には、０°＜θ＜９０°の全範囲でθの増加に伴って放射量が増加する。θが大きくなるほど放射量は大きく増加し、特に７５°≦θ＜９０°の範囲においては、放射体３が平面構造である場合と比べて２倍以上の放射量となり、高効率な放射が可能である。

以上、本実施形態の冷却装置１によれば、特定の波長の赤外線を放射できるとともに、放射体の凹凸構造によって表面積を増大させることで冷却効率が向上する。なお、本実施形態では谷部３３の向かい合う面３４ａ、３４ｂが図６におけるＯＨ平面の点Ｏを通る法線に関して互いに対称に形成されているが、谷部３３の向かい合う面３４ａ、３４ｂが非対称に形成されていてもよく、同様に冷却効率が向上する。

本発明の冷却装置１の利用の形態例として、図１に示すように、冷却装置１を建物６の屋根に取り付けることによって建物の冷房システム１０として用いることができる。その際、日当たりのよい南面の屋根に太陽光発電パネル７を設置し、空いた北面の屋根に冷却装置１を設置することで、屋根のスペースを有効に利用して、発電と放射冷却を同時に行うことができる。また、パネル７によって発電した電力を冷媒循環の動力源として使用すれば、より高効率に冷却を行うことができる。

また、放射体３は大気を透過する波長選択性を有しており、熱を宇宙空間に直接排熱することが可能である。すなわち、冷却の排熱が装置使用箇所近辺に影響することがない。
冷却装置１を建物過密である都市部で導入すれば、ヒートアイランド現象の緩和にも繋がる可能性がある。さらには、本実施形態の冷却装置１を用いて、蓄冷システムとしてもよい。

次に、本発明の他の実施形態の冷却装置について説明する。

（第２実施形態）
図１３は、本発明の第２実施形態に係る放射体１０３を表す図である。
本発明の第２実施形態に係る冷却装置１０１は、第１実施形態と比較して、放射体３の形状が異なる。第２実施形態に係る放射体１０３は、放射体３の蛇腹構造が、前記所定方向に直交する方向にも山部と谷部が交互に連続して配置されて構成される。すなわち、四角錐が連続して並ぶ形状となる。これにより、放射体３の表面積が増大するため、冷却効率がさらに向上する。また図１３下部には、線分Ｘ_１Ｘ_２を通り四角錐の底面に垂直な面における、放射体１０３の断面を示している。

（第３実施形態）
図１４は、本発明の第３実施形態に係る放射体２０３を表す図である。
本発明の第３実施形態に係る冷却装置２０１は、第２実施形態に係る放射体１０３において、四角錐でなく四角錐台が並んで構成される。この形態においても、凹凸構造を有しない場合と比較して放射体の表面積が増大するため、冷却効率が向上する。また図１４下部には、線分Ｙ_１Ｙ_２を通り四角錐台の上面および底面に垂直な面における、放射体２０３の断面を示している。
なお、第１実施形態において蛇腹構造の連続する方向に台形が連続して並ぶような構成としても、同様な効果が得られる。

以上、本発明の実施形態について説明した。本発明の実施形態はこれに限定されるものではなく、改良・変形したものも本発明に含まれる。例えば、第２および第３実施形態以外にも放射体の形状を変更したものが考えられるが、放射体の表面積の増加および波長選択性の違いを利用した反射によって放射効率が向上するものであれば、本発明に含まれる。

１，１０１，２０１ 冷却装置
２ 収容部
３，１０３，２０３ 放射体
３１ ポリマー層
３１１ 誘電体粒子
３１２ 分散媒
３２ 金属反射層
３３ 谷部
３４ａ，ｂ 谷部の向かい合う面
３５ 山部
４ 熱交換チューブ
５ 大気の窓
６ 建物
７ 太陽光発電パネル
１０ 冷却システム

Claims (8)

1. 特定波長の電磁波を選択的に放射可能であるとともに、表面に凹凸構造を有する放射体を備える、冷却装置。
2. 前記凹凸構造は、山部と谷部が所定方向に交互に連続して配置された構造であり、
   前記谷部を構成するとともに対向する２つの面は、それぞれ異なる波長選択性を有する、請求項１に記載の冷却装置。
3. 前記凹凸構造は、山部と谷部が所定方向に交互に連続して配置された構造であり、
   前記谷部を構成するとともに対向する２つの面は、同一の波長選択性を有し、
   前記２つの面が前記所定方向に延びる面に対してなす角の大きさは同一であり、前記なす角の大きさは７５°以上９０°未満である、請求項１に記載の冷却装置。
4. 前記２つの面のうち少なくとも一方の面から放射される電磁波の波長は、大気の透過率がゼロより大きい波長領域を一部含む、請求項２または３に記載の冷却装置。
5. 前記２つの面から放射される電磁波の波長は、ともに大気の透過率がゼロより大きい波長領域を一部含む、請求項２〜４のいずれかに記載の冷却装置。
6. 前記放射体は、ポリマー層と、前記ポリマー層に積層される金属反射層と、を有して構成され、
   前記ポリマー層は、分散媒と、前記分散媒に分散される複数の誘電体粒子と、を有し、
   前記誘電体粒子は、二酸化ケイ素、炭酸カルシウム、炭化ケイ素、酸化亜鉛、二酸化チタンおよびアルミナからなる群より選択される少なくとも１種からなる、請求項１〜５のいずれかに記載の冷却装置。
7. 前記分散媒は、４−メチル−１−ペンテンポリマー、４−メチル−１−ペンテンコポリマー、ポリフッ化ビニルおよびポリエチレンテレフタレートからなる群より選択される少なくとも１種からなる、請求項６に記載の冷却装置。
8. 屋外に設置されるとともに、
   前記放射体は、宇宙空間に向けて水平よりも上方に放射するよう設置される、請求項１〜７のいずれかに記載の冷却装置。

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