JP2022151097A - 放射冷却装置 - Google Patents
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Abstract
Description
前記赤外放射層が、吸収した太陽光エネルギーよりも大きな熱輻射エネルギーを波長8μmから波長14μmの帯域で放つ厚みに調整された樹脂材料層である放射冷却装置に関する。
そして、光反射層が太陽光を十分に反射することより、昼間の日射環境下においても冷却対象を冷やすことができる。
尚、光反射層は、赤外放射層を透過した光に加えて、赤外放射層から光反射層の存在側に放射される光を赤外放射層に向けて反射する作用も奏することになるが、以下の説明においては、光反射層を設ける目的が赤外放射層を透過した光(紫外光、可視光、赤外光)を反射することにあるとして説明する。
また、放射冷却装置に柔軟性を備えさせるために、樹脂材料層の軟質化を図ることが望まれる。つまり、光反射層を、例えば銀の薄膜として構成して、柔軟性を備えさせることに併せて、赤外放射層を構成する樹脂材料層が軟質性を備えれば、放射冷却装置が柔軟性を備えるものとなる。そして、柔軟性を備えさせるにあたり、同時に耐候性を向上させることが望まれる。
このように放射冷却装置が柔軟性及び耐候性を備えれば、既設の屋外設備における外壁等に後付けして、放射冷却性能を与えることができるものとなる等、利便性が向上する。
前記赤外放射層が、吸収した太陽光エネルギーよりも大きな熱輻射エネルギーを波長8μmから波長14μmの帯域で放つ厚みに調整された樹脂材料層であるものであって、その特徴構成は、
前記樹脂材料層を形成する樹脂材料が、可塑剤が混入された塩化ビニル系樹脂であり、
前記可塑剤が、フタル酸エステル類、脂肪族二塩基酸エステル類及びリン酸エステル類からなる群より選択される1つ以上の化合物からなる点にある。
本発明で用いられる塩化ビニル系樹脂とは、塩化ビニルあるいは塩化ビニリデンの単独重合体及び塩化ビニルあるいは塩化ビニリデンの共重合体であり、その製造方法は、従来公知の重合方法で行われる。
つまり、塩化ビニル系樹脂は、その熱輻射特性が大気の窓領域において大きな熱輻射が得られるフッ素樹脂やシリコーンゴムと同等であり、これら樹脂よりもかなり安価であるから、直射日光下で周囲温度よりも温度が低下する放射冷却装置を安価に構成するのに有効である。
また、塩化ビニル系樹脂に可塑剤を入れることにより、傷がついても80℃以上に加熱することで変形し表面傷を無くし平滑化することができ、つまりは傷を自己修復することができる。フッ素樹脂やシリコーンゴムにこの特性はない。軟質塩化ビニル系樹脂のこの特性によって綺麗な状態を長期間維持することができる。このことは長期にわたる放射冷却性能の維持につながる。
このように、可塑剤を入れることにより、放射冷却素材の耐久性が向上する。
また、塩化ビニル系樹脂は、難燃性であり且つ生分解され難いものであるから、屋外で長期間使用する放射冷却装置の樹脂材料層を形成する樹脂材料として好適である。
つまり、塩化ビニル系樹脂に混入する可塑剤が紫外線を吸収すると、可塑剤の加水分解が進む結果、塩化ビニル系樹脂が脱塩酸等を生じて着色(茶色)し、しかも、機械強度の低下を生じる虞があるが、可塑剤が太陽光に含まれている紫外線を吸収し難いものとなるため、可塑剤が混入された塩化ビニル系樹脂の耐候性を向上できるのである。
波長0.4μmから0.5μmの光吸収率の波長平均が13%以下であり、波長0.5μmから波長0.8μmの光吸収率の波長平均が4%以下であり、波長0.8μmから波長1.5μmまでの光吸収率の波長平均が1%以内であり、1.5μmから2.5μmまでの光吸収率の波長平均が40%以下となる光吸収特性を備え、且つ、
8μmから14μmの輻射率の波長平均が40%以上となる熱輻射特性を備える状態の厚みに調整されている点にある。
このような光吸収率が分布する場合、太陽光の光吸収率は10%以下となり、エネルギーで言うと100W以下となる。
光反射層での太陽光吸収は50W/m2以下であることが好ましい。
したがって、樹脂材料層と光反射層における太陽光吸収の和が150W/m2以下であり、大気の状態がよければ冷却が進む。樹脂材料層は、以上のように太陽光スペクトルのピーク値付近の吸収率が小さなものを用いるのが良い。
すなわち、光反射層で吸収される50W/m2程度の太陽光の熱輻射を樹脂材料層から宇宙に放出させるには、それ以上の熱輻射を樹脂材料層が出す必要がある。
例えば、外気温が30℃のとき、波長8μmから14μmの大気の窓の熱輻射の最大は200W/m2である(輻射率1として計算)。この値が得られるのは、高山など、空気の薄いよく乾燥した環境の快晴時である。低地などでは大気の厚みが高山よりも厚くなるので、大気の窓の波長帯域は狭くなり、透過率は低下する。ちなみに、このことを「大気の窓が狭くなる」と呼ぶ。
また、日本ではよくあることであるが、空に靄があるときや、スモッグが存在する場合、大気の窓はさらに狭くなり、宇宙への放射は125W/m2程度となる。
したがって、樹脂材料層の厚みを、上述した光学的規定の範囲になるように調整することにより、太陽光の光吸収による入熱よりも大気の窓における出熱の方が大きくなり、昼間の日射環境下でも屋外で放射冷却できるようになる。
光反射層が、波長0.4μmから0.5μmにかけて90%以上の反射率を示し、波長0.5μmより長波の反射率が96%以上である反射特性を備えると、光反射層が太陽光エネルギーを5%程度以下しか吸収しなくなる。
尚、本明細書では、太陽光について、断りのない場合、スペクトルはAM1.5Gの規格とする。
そして、銀または銀合金のみで前述の反射特性を持たせた状態で太陽光を反射する場合、厚さが50nm以上必要である。
つまり、高価な銀または銀合金を薄くして、光反射層の低廉化を図るようにしながらも、光反射層を、銀または銀合金とアルミまたはアルミ合金との積層構造にすることにより、適切な反射率特性を持たせながらも、光反射層の低廉化を図ることができる。
前記保護層が、厚さが300nm以上で、40μm以下のポリオレフィン系樹脂、又は、厚さが17μm以上で、40μm以下のポリエチレンテレフタラート樹脂である点にある。
保護層が、ポリオレフィン系樹脂にて厚さが300nm以上で、40μm以下の形態に形成される場合には、ポリオレフィン系樹脂は、波長0.3μmから0.4μmの紫外線の波長域の全域において紫外線の光吸収率が10%以下である合成樹脂であるから、保護層が紫外線の吸収により劣化し難いものとなる。
そして、樹脂材料層及び保護層が柔軟性を備えているから、光反射層を薄膜状にして、光反射層に柔軟性を備えさせることにより、放射冷却装置(放射冷却フィルム)が、柔軟性を備えることになる。
そして、光散乱構成を備えさせることにより、放射面を見たときに、放射面のギラツキを抑制できるものとなる。
尚、樹脂材料層と保護層との間に接合層が位置するから、樹脂材料層の裏面が凹凸状になっていても、樹脂材料層と保護層とを接合層によって適切に接合することができる。
そして、光散乱構成を備えさせることにより、放射面を見たときに、放射面のギラツキを抑制できるものとなる。
ちなみに、樹脂材料層の表裏両面を凹凸状にするには、エンボス加工や表面に傷を付ける加工等を行うことにより行うことができる。
〔放射冷却装置の基本構成〕
図1に示すように、放射冷却装置CPは、放射面Hから赤外光IRを放射する赤外放射層Aと、当該赤外放射層Aにおける放射面Hの存在側とは反対側に位置させる光反射層Bと、赤外放射層Aと光反射層Bとの間の保護層Dとを積層状態に備え、且つ、フィルム状に形成されている。
つまり、放射冷却装置CPが、放射冷却フィルムとして構成されている。
太陽光スペクトルは、波長0.295μm(295nm)から4μm(4000nm)にかけて存在し、波長0.4μm(400nm)から大きくなるにつれ強度が大きくなり、特に波長0.5μm(500nm)から波長1.8μm(1800nm)にかけての強度が大きい。
樹脂材料層Jの詳細は後述するが、本実施形態では、樹脂材料層Jを形成する樹脂材料が、可塑剤が混入された塩化ビニル樹脂である。尚、樹脂材料層Jを形成する樹脂材料としては、可塑剤が混入された塩化ビニリデン樹脂でもよい。
また、樹脂材料層J、保護層D及び光反射層Bが柔軟性を備えることによって、放射冷却装置CP(放射冷却フィルム)が柔軟性を備えるように構成されている。
樹脂材料層Jを形成する樹脂材料(塩化ビニル樹脂)は、厚みによって光吸収率や輻射率(光放射率)が変化する。そのため、太陽光をできるだけ吸収せず、いわゆる大気の窓の波長帯域(波長8μmから波長14μmの帯域)において大きな熱輻射を発するように樹脂材料層Jの厚みを調整する必要がある。
このような吸収率分布の場合、太陽光の光吸収率は10%以下となり、エネルギーで言うと100W以下となる。
保護層D及び光反射層Bで吸収される50W/m2程度の太陽光の熱エネルギーを、樹脂材料層Jの熱輻射より樹脂材料層Jから宇宙に放出させるには、それ以上の熱輻射を樹脂材料層Jが出す必要がある。
例えば、外気温が30℃のとき、8μmから14μmの大気の窓の熱輻射の最大は200W/m2である(輻射率1として計算)。この値が得られるのは、高山など、空気の薄いよく乾燥した環境の快晴時である。低地などでは大気の厚みが高山よりも厚くなるので、大気の窓の波長帯域は狭くなり、透過率は低下する。ちなみに、このことを「大気の窓が狭くなる」と呼ぶ。
かかる事情を鑑みて、波長8μmから14μmの輻射率の波長平均は40%以上(大気の窓帯での熱輻射強度が50W/m2)ないと中緯度帯の低地で用いることができない。
本実施形態においては、塩化ビニル系樹脂にて形成される樹脂材料層Jの厚みが、100μm以下で10μm以上である。
キルヒホッフの法則により、輻射率(ε)と光吸収率(A)は等しい。光吸収率は吸収係数(α)から下記の式(1)(以下、光吸収率関係式と呼ぶことがある)にて求めることができる。
A=1-exp(-αt)---(1)尚、tは膜厚である。
つまり、樹脂材料層Jの膜厚を調整すると、吸収係数の大きな波長帯域で大きな熱輻射が得られる。屋外で放射冷却する場合、大気の窓の波長帯域である波長8μmから14μmにおいて吸収係数の大きな材料を用いるとよい。
また、太陽光の吸収を抑制するために波長0.3μmから4μm、特に0.4μmから2.5μmの範囲で吸収係数を持たない、或いは小さな材料を用いるとよい。吸収係数と吸収率の関係式からわかるように、光吸収率(輻射率)は樹脂材料の膜厚によって変化する。
厚さ100μmの塩化ビニル樹脂の紫外から可視域の吸収率スペクトルを図2に示すが、波長0.38μmよりも短波長側で光吸収が大きくなる。
炭素-塩素結合に関しては、C-Cl伸縮振動による吸収係数が波長12μmを中心に半値幅1μm以上の広帯域に現れる。
また、塩化ビニル樹脂の場合、塩素の電子吸引の影響で、主鎖に含まれるアルケンのC-Hの変角振動に由来する吸収係数が波長10μmあたりに現れる。
これらの影響で、厚さ10μmの輻射率の波長平均は、波長8μmから14μmにおいて43%であり、波長平均40%以上という規定の中に入る。図示の通り、膜厚が厚くなると大気の窓領域における輻射率は増大する。
図3に示す如く、塩化ビニル樹脂の場合は100μmより厚くなっても大気の窓領域における熱輻射の増大は殆どなくなる。つまり、塩化ビニル樹脂場合、大気の窓における熱輻射は表面から深さ約100μm以内の部分で生じており、より深い部分の輻射は外に出てこない。
理想的に太陽光を全く吸収しない樹脂材料層Jを光反射層Bの上に作製することを考える。この場合、太陽光は放射冷却装置CPの光反射層Bでのみ吸収される。
樹脂材料の熱伝導率はおしなべて0.2W/m/K程度であり、この熱伝導性を考慮して計算すると、樹脂材料層Jの厚みが20mmを超えると、冷却面(光反射層Bにおける樹脂材料層Jの存在側とは反対側の面)の温度が上昇する。
放射冷却装置CPの実用の観点では、樹脂材料層Jの厚みは薄い方がよい。樹脂材料の熱伝導率は、金属やガラスなどよりも一般に低い。冷却対象物Eを効果的に冷却するには、樹脂材料層Jの膜厚は必要最低限であるのがよい。樹脂材料層Jの膜厚を厚くするほどに大気の窓の熱輻射は大きくなり、ある膜厚を超えると大気の窓における熱輻射エネルギーは飽和する。
以上の観点から、炭素-塩素結合を含む樹脂である塩化ビニル系樹脂の場合、50μm以下の厚さにするとより効果的に日照下において放射冷却効果を出すことができる。
光反射層Bに上述の反射率特性を持たせるためには、放射面Hの存在側(樹脂材料層Jの存在側)の反射材料は銀または銀合金である必要がある。
図4に示す通り、銀をベースとして光反射層Bを構成すれば、光反射層Bに求められる反射率が得られる。
但し、光反射層Bに柔軟性を備えさせるためには、厚さを100μm以下にする必要がある。これ以上厚いと曲げにくくなる。
ちなみに、「銀合金」としては、銀に、銅、パラジウム、金、亜鉛、スズ、マグネシウム、ニッケル、チタンのいずれかを、例えば、0.4質量%から4.5質量%程度添加した合金を用いることができる。具体例としては、銀に銅とパラジウムを添加して作成した銀合金である「APC-TR(フルヤ金属製)」を用いることができる。
銀(銀合金)とアルミ(アルミ合金)の2層で構成する場合、銀の厚みは10nm以上必要であり、アルミの厚みは30nm以上必要である。
但し、光反射層Bに柔軟性を備えさせるためには、銀の厚さとアルミの厚さとの合計を100μm以下にする必要がある。これ以上厚いと曲げにくくなる。
保護層Dの詳細は、後述する。
樹脂材料層Jを形成する塩化ビニル樹脂に混入する可塑剤は、フタル酸エステル類、脂肪族二塩基酸エステル類及びリン酸エステル類からなる群より選択される1つ以上の化合物である。
そして、可塑剤が、塩化ビニル樹脂の100重量部に対して、1重量部以上で、200重量部以下の範囲で混入されている。
加工の観点で可塑剤の重量部は100重量部以下が望ましい。
可塑剤のフタル酸エステルが、フタル酸と飽和脂肪族アルコール2分子とがエステル結合したものであるとよい。
可塑剤としてのリン酸エステルが、リン酸トリエステル、又は、芳香族リン酸エステルであるとよい。
フタル酸エステル類を列挙すると、次の通りである。
フタル酸ジメチル(DMP)、フタル酸ジエチル(DEP)、フタル酸ジブチル(DPP)、フタル酸ジ-2-エチルヘキシル(DOP)、フタル酸ジイソノニル(DINP)、フタル酸ジイソデシル(DIDP)、フタル酸ジウンデシル(DUP)、フタル酸ジトリデシル(DTDP)、テレフタル酸ビス(2-エチルヘキシル)(DOTP)、イソフタル酸ビス(2-エチルヘキシル)(DOIP)等。
脂肪族二塩基酸エステル類を列挙すると、次の通りである。
アジピン酸ジブチル(DBA)、アジピン酸ジイソブチル(DIBA)、アジピン酸ジ-2-エチルヘキシル(DOA)、アジピン酸ジイソノニル(DINA)、アジピン酸ジイソデシル(DIDA)、アゼライン酸ビス-2-エチルヘキシル(DOZ)、セバシン酸ジブチル(DBS)、セバシン酸ジ-2-エチルヘキシル(DOS)、セバシン酸ジイソノニル(DINS)、コハク酸ジエチル(DESU)等。
また、アジピン酸等の2塩基酸とジオール(二官能アルコール、あるいはグリコール)との共重合(ポリエステル化)によって合成された分子量400~4000の脂肪族ポリエステル。
リン酸トリエステルを列挙すると、次の通りである。
トリメチルホスフェート(TMP)、トリエチルホスフェート(TEP)、トリブチルホスフェート(TBP)、トリス(2エチルヘキシル)ホスフェート(TOP)。
芳香族リン酸エステルを列挙すると、次の通りである。
トリフェニルホスフェート(TPP)、トリクレシルホスフェート(TCP)、トリキシレニルホスフェート(TXP)、トレジルジフェニルホスフェート(CDP)、2-エチルヘキシルジフェニルホスフェート。
塩化ビニル樹脂用の可塑剤には、フタル酸エステル類、脂肪族二塩基酸エステル類、リン酸トリエステル類、芳香族リン酸エステル類、トリメリット酸エステル類、エポキシ化脂肪酸エステル類がある。これら可塑剤類から下記化合物を選定し、塩化ビニル100重量部に対し各種可塑剤を43重量部混ぜて、キセノンウエザー試験により評価した。
なお、塩化ビニル樹脂には、トリアジン系の紫外線吸収剤とヒンダードアミン系の光安定剤を塩化ビニル100重量部あたりそれぞれ0.5重量部ずつ混錬した。
脂肪族二塩基酸エステルの代表として、アジピン酸ジ-2-エチルヘキシル(DOA)、アジピン酸ブタンジオール共重合体(平均分子量1000程度)、アジピン酸ジイソノニル(DINA)。
リン酸トリエステルの代表として、トリブチルホスフェート(TBP)。
芳香族リン酸エステルの代表として、トリクレシルホスフェート(TCP)。
トリメリット酸エステルの代表として、トリメリット酸トリ-2-エチルヘキシル(TOTM)。
エポキシ化脂肪酸エステルの代表として、エポキシ化大豆油。
キセノンウエザー試験の条件は以下の通りである。
紫外線強度180W/m2(波長295-400nm)。
〈散水なし条件〉BPT89℃、湿度50%、1時間42分。
〈散水あり条件〉槽内温度38℃、湿度90%、18分。
上記実験の結果、トリメリット酸エステル(TOTM)、及び、エポキシ化脂肪酸エステル(エポキシ化大豆油)を可塑剤として用いると耐久性が著しく下がることが明らかとなった。なお、エポキシ化脂肪酸は1120時間で茶変し試験継続できなくなったので同図に載せていない。
尚、この理由については、後述の如く考察する。
樹脂材料層Jを形成する塩化ビニル樹脂に、難燃剤、安定剤、安定化助剤、充てん剤、酸化防止剤、紫外線吸収剤、光安定剤が入っていてもよい。
<難燃剤>
難燃剤としては、水酸化アルミニウム、三酸化アンチモン、水酸化マグネシウム、ホウ酸亜鉛等の無機系化合物、クレジルジフェニルホスフェート、トリスクロロエチルフォスフェート、トリスクロロプロピルフォスフェート、トリスジクロロプロピルフォスフェート等のリン系化合物、塩素化パラフィン等のハロゲン系化合物等が例示される。又、塩化ビニル樹脂100重量部に対する難燃剤の配合量は0.1~20重量部程度である。
安定剤としては、ステアリン酸リチウム、ステアリン酸マグネシウム、ラウリン酸マグネシウム、リシノール酸カルシウム、ステアリン酸カルシウム、ラウリン酸バリウム、リシノール酸バリウム、ステアリン酸バリウム、オクチル酸亜鉛、ラウリン酸亜鉛、リシノール酸亜鉛、ステアリン酸亜鉛等の金属石鹸化合物、ジメチルスズビス-2-エチルヘキシルチオグリコレート、ジブチルスズマレエート、ジブチルスズビスブチルマレエート、ジブチルスズジラウレート等の有機錫系化合物、アンチモンメルカプタイド化合物等が例示される。又、塩化ビニル樹脂100重量部に対する安定剤の配合量は0.1~20重量部程度である。
安定化助剤としは、トリフェニルホスファイト、モノオクチルジフェニルホスファイト、トリデシルフォスファイト等のホスファイト系化合物、アセチルアセトン、ベンゾイルアセトン等のベータジケトン化合物、グリセリン、ソルビトール、ペンタエリスリトール、ポリエチレングリコール等のポリオール化合物、過塩素酸バリウム塩、過塩素酸ナトリウム塩等の過塩素酸塩化合物、ハイドロタルサイト化合物、ゼオライトなどが例示される。又、塩化ビニル樹脂100重量部に対する安定化助剤の配合量は0.1~20重量部程度である。
充填剤としては、炭酸カルシウム、シリカ、アルミナ、クレー、タルク、珪藻土、フェライト、などの金属酸化物、ガラス、炭素、金属などの繊維及び粉末、ガラス球、グラファイト、水酸化アルミニウム、硫酸バリウム、酸化マグネシウム、炭酸マグネシウム、珪酸マグネシウム、珪酸カルシウムなどが例示される。又、塩化ビニル樹脂100重量部に対する充填剤の配合量は1~100重量部程度である。
酸化防止剤としては、2,6-ジ-tert-ブチルフェノール、テトラキス[メチレン-3-(3,5-tert-ブチル-4-ヒドロキシフェノール)プロピオネート]メタン、2-ヒドロキシ-4-メトキシベンゾフェノンなどのフェノール系化合物、アルキルジスルフィド、チオジプロピオン酸エステル、ベンゾチアゾールなどの硫黄系化合物、トリスノニルフェニルホスファイト、ジフェニルイソデシルホスファイト、トリフェニルホスファイト、トリス(2,4-ジ-tert-ブチルフェニル)ホスファイトなどのリン酸系化合物、ジアルキルジチオリン酸亜鉛、ジアリールジチオリン酸亜鉛などの有機金属系化合物などが例示される。又、塩化ビニル樹脂100重量部に対する酸化防止剤の配合量は0.2~20重量部程度である。
紫外線吸収剤としては、フェニルサリシレート、p-tert-ブチルフェニルサリシレートなどのサリシレート系化合物、2-ヒドロキシ-4-n-オクトキシベンゾフェノン、2-ヒドロキシ-4-n-メトキシベンゾフェノンなどのベンゾフェノン系化合物、5-メチル-1H-ベンゾトリアゾール、1-ジオクチルアミノメチルベンゾトリアゾールなどのベンゾトリアゾール系化合物の他、シアノアクリレート系化合物、トリアジン系化合物などが例示される。又、塩化ビニル樹脂100重量部に対する紫外線吸収剤の配合量は0.1~10重量部程度である。
光安定剤としては、ビス(2,2,6,6-テトラメチル-4-ピペリジル)セバケート、ビス(1,2,2,6,6-ペンタメチル-4-ピペリジル)セバケート及びメチル1,2,2,6,6-ペンタメチル-4-ピペリジルセバケート(混合物)、ビス(1,2,2,6,6-ペンタメチル-4-ピペリジル)[[3,5-ビス(1,1-ジメチルエチル)-4-ヒドリキシフェニル]メチル]ブチルマロネート、デカン二酸ビス(2,2,6,6-テトラメチル-1(オクチルオキシ)-4-ピペリジル)エステル及び1,1-ジメチルエチルヒドロペルオキシドとオクタンの反応生成物、4-ベンゾイルオキシ-2,2,6,6-テトラメチルピペリジン、2,2,6,6-テトラメチル-4-ピペリジノールと高級脂肪酸のエステル混合物、テトラキス(2,2,6,6-テトラメチル-4-ピペリジル)-1,2,3,4-ブタンテトラカルボキシレート、テトラキス(1,2,2,6,6-ペンタメチル-4-ピペリジル)-1,2,3,4-ブタンテトラカルボキシレート、コハク酸ジメチルと4-ヒドロキシ-2,2,6,6-テトラメチル-1-ピペリジンエタノールの重縮合物、ポリ[{(6-(1,1,3,3-テトラメチルブチル)アミノ-1,3,5-トリアジン-2,4-ジイル){(2,2,6,6-テトラメチル-4-ピペリジル)イミノ}ヘキサメチレン{(2,2,6,6-テトラメチル-4-ピペリジル)イミノ}}、ジブチルアミン・1,3,5-トリアジン・N,N'-ビス(2,2,6,6-テトラメチル-4-ピペリジル-1,6-ヘキサメチレンジアミンとN-(2,2,6,6-テトラメチル-4-ピペリジル)ブチルアミンの重縮合物、N,N',N'',N'''-テトラキス-(4,6-ビス-(ブチル-(N-メチル-2,2,6,6-テトラメチルピペリジン-4-イル)アミノ)-トリアジン-2-イル)-4,7-ジアザデカン-1,10-ジアミン等のヒンダードアミン系が例示される。又、塩化ビニル系樹脂100重量部に対する光安定剤の配合量は0.1~10重量部程度である。
本発明の放射冷却装置CPは、図5から図8に示すように、フィルム構造にすることができる。樹脂材料層J及び保護層Dを形成する樹脂材料は柔軟であるために、光反射層Bを薄膜にすると、光反射層Bにも柔軟性を備えさせることができ、その結果、放射冷却装置CPを、柔軟性を備えるフィルム(放射冷却フィルム)とすることができる。
フィルム状の放射冷却装置CP(放射冷却フィルム)を装着する対象としては、各種のテント類の外面、電気機器等を収納するボックスの外面、物品搬送用コンテナの外面、牛乳を貯留する牛乳タンクの外面、牛乳タンクローリーの牛乳貯留部の外面等、冷却が必要な諸々のものを対象とすることができる。
尚、別の作成方法として、樹脂材料層Jをフィルム状に形成して、当該フィルム状の樹脂材料層Jの上に、保護層D、銀層B2を順次塗布し、アルミ層B1を銀層B2に貼り付ける方法を採用することができる。
のり層Nにて使用する接着剤(粘着剤)は、例えば、ウレタン系接着剤(粘着剤)、アクリル系接着剤(粘着剤)、EVA(エチレン酢酸ビニル)系接着剤(粘着剤)等があり、太陽光に対して高い透明性を持つものが望ましい。
のり層Nにて使用する接着剤(粘着剤)は、例えば、ウレタン系接着剤(粘着剤)、アクリル系接着剤(粘着剤)、EVA(エチレン酢酸ビニル)系接着剤(粘着剤)等があり、太陽光に対して高い透明性を持つものが望ましい。
保護層Dは、厚さが300nm以上で、40μm以下のポリオレフィン系樹脂、又は、厚さが17μm以上で、40μm以下のポリエチレンテレフタラートである。
ポリオレフィン系樹脂としては、ポリエチレン及びポリプロピレンがある。
また、図9に、保護層Dを形成する合成樹脂として好適なポリエチレンの光透過率を示す。
例えば、保護層Dを形成する合成樹脂として優れている主成分がポリエチレンの樹脂は、図13に示すように、大気の窓における輻射率が小さいため、厚く形成しても放射冷却に寄与しない。それどころか、厚くすると放射冷却材料の断熱性を上げることになる。次に、厚くなると主鎖の振動に由来する近赤外域の吸収が増加し、太陽光吸収が増える効果が増加する。
これら要因により、保護層Dが厚いことは、放射冷却にとって不利である。このような観点から、ポリオレフィン系樹脂にて形成される保護層Dの厚さは、5μm以下であることが好ましく、さらには、1μm以下であることが一層好ましい。
保護層Dによる銀の着色のされ方の違いを検討するために、図10に示すような、赤外放射層Aとしての樹脂材料層Jを備えない保護層Dを露出させたサンプルを作製し、模擬太陽光が照射された後の銀の着色を調べた。
つまり、保護層Dとして、紫外線を吸収する一般的なアクリル系樹脂(例えば、ベンゾトリアゾール系紫外線吸収剤が混入するメタクリル酸メチル樹脂)とポリエチレンとの二種類を、バーコーターで、光反射層Bとして銀を備えるフィルム層F(基材に相当)上に塗布したサンプルを形成し、保護層Dとしての機能を検討した。塗布した保護層Dの厚みは、それぞれ10μmと1μmである。
尚、フィルム層F(基材に相当)は、PET(エチレンテレフタラート樹脂)等にてフィルム状に形成されたものである。
尚、図中の600hの線は、JIS規格5600-7-7の条件でキセノンウエザー試験(紫外光エネルギーは60W/m2)を600h(時間)行った後の反射率スペクトルである。また、0hの線は、キセノンウエザー試験を行う前の反射率スペクトルである。
尚、図中の600hの線は、JIS規格5600-7-7の条件でキセノンウエザー試験(紫外光エネルギーは60W/m2)を600h(時間)行った後の反射率スペクトルである。また、0hの線は、キセノンウエザー試験を行う前の反射率スペクトルである。
また、シリコーンも紫外線吸収の観点からは保護層Dを形成する材料に適用できるが、銀(銀合金)との密着性が極めて悪く、保護層Dを形成する材料としては用いることができない。
以下、塩化ビニル系樹樹脂に混入する可塑剤について考察する。
(塩化ビニル系樹脂の劣化について)
塩化ビニル系樹樹脂(フィルム)の太陽光による劣化は、可塑剤の紫外線による劣化が大きく関与している。
通常屋外で長期使用される塩化ビニル系樹樹脂(可塑剤が混入されている)は、着色や添加剤によって太陽光に含まれる紫外線から守られている。例えば黒等の色に着色され、紫外線の影響を受けづらい状態となっていることが多い。一方、放射冷却装置CPの場合、放射冷却性能を得るために太陽光の吸収を最小限に抑える必要がある。そのため可塑剤を守るための添加物や染料・顔料を十分に入れることができない。
これらのことは、銀を備えた光反射層Bの上に樹脂材料層Jを備える放射冷却装置CPの塩化ビニル樹脂は、一般用途の塩化ビニルよりも太陽光に含まれる紫外線に敏感であることを示唆している。
紫外線吸収は、主に可塑剤のエステル結合の結合エネルギーを超える電子遷移が生じることによって生じる。紫外線による活性エネルギーの付与と水分子により、塩化ビニル系樹樹脂に混入された可塑剤の加水分解が進む。
可塑剤の結合が切れると、切れた結合が周囲の塩化ビニル系樹脂を攻撃し、脱塩酸等生じて着色する。また、このことにより機械強度も低下する。
塩化ビニル系樹脂が着色すると、太陽光を放射冷却装置CPが吸収するために日中では冷却できなくなる。
実験に用いた放射冷却装置CPの樹脂材料層Jを形成する塩化ビニル樹脂には、紫外線吸収剤を混ぜており、放射冷却装置CPの製作当初の反射率が、波長295nm以上で、350nm以下の範囲で10%以下となるよう調整している(図14参照)。
この紫外線吸収剤は、樹脂材料層Jの下にあるのり層N(接合層)、保護層D、銀を備えた光反射層Bを守るために存在しており、樹脂材料層Jを紫外線から守る効果は限定的である。
A=1-exp(-αt)---(2)尚、αは吸収係数、tは膜厚である。
この式から、光は、樹脂材料層J(塩化ビニル層)を移動するに伴って徐々に樹脂材料層Jに吸収されることがわかる。つまり、特に、樹脂材料層J(塩化ビニル層)の太陽光入射側は、紫外線吸収剤による紫外線保護効果は期待できない。
つまり、実験の結果、可塑剤をトリメリット酸とした場合には、放射冷却装置CPが、太陽光照射面(放射面H)からえぐれるようにして劣化が進むことが分かった。
塩化ビニル系樹脂に混入する好適な可塑剤は、上述の如く、フタル酸エステル、脂肪族二塩基酸エステル、リン酸トリエステル、芳香族リン酸エステルである。
脂肪族二塩基酸エステルは、脂肪族二塩基酸と飽和脂肪族アルコール2分子とがエステル結合したものであことが好ましく、フタル酸エステルは、フタル酸と飽和脂肪族アルコール2分子とがエステル結合したものであることが好ましい。
また、フタル酸エステル、脂肪族二塩基酸エステル、リン酸トリエステルの夫々については、エステルの炭化水素基がアルキル基であることが望ましい。
また、フタル酸エステル、脂肪族二塩基酸エステル、リン酸トリエステルの炭化水素基が、不飽和炭化水素基である可塑剤も不適である。つまり、フタル酸エステル、脂肪族二塩基酸エステル、リン酸トリエステルの炭化水素基が、飽和炭化水素基であることが望ましい。
つまり、炭化水素基が不飽和炭化水素基であると、その不飽和結合が着色の原因となり太陽光をよく吸収し、放射冷却特性を下げる。併せて、その不飽和結合が太陽光を吸収して開裂し、周辺のオリゴマー及び塩化ビニルとの反応を進め、このことにより、放射冷却装置CPの樹脂材料層Jが脆化、着色する。
要するに、可塑剤の適・不適の違いは、可塑剤の紫外線の吸収し易さに起因する。
先ずは、芳香族カルボン酸エステルである、フタル酸エステルについて、トリメリット酸エステルと比較する。フタル酸エステルの例としては、DOP(フタル酸ジ-2-エチルヘキシル)があり、トリメリット酸エステルの例としては、TOTM(トリメリット酸トリ-2-エチルヘキシル)がある。
紫外線が照射される屋外での分解はエステル結合の加水分解によって生じる。紫外線がその反応の活性化エネルギーとなる。トリメリット酸エステルのエステル結合の結合エネルギーはフタル酸と比較して弱い。この違いは紫外線吸収の違いに現れる。
λA=1240/E---(3)
この式は、結合エネルギー(E)が小さくなると、結合の電子移動を活性化する紫外線吸収波長が長波にシフトすることを示している。図15にその一例を示す。
図15の中で、DEHP、DINCHがフタル酸エステル、TOTMがトリメリット酸エステルである。尚、DEHPは、DOPと同じである。
ちなみに、トリメリット酸エステルは直射日光に晒される軟質塩ビ製電線等にも用いられる可塑剤であるが、同じ屋外用途でも放射冷却装置CPの樹脂材料層Jを形成する塩化ビニルに用いることはできない。一般的な屋外用途において、塩化ビニル層は黒等の色に十分に着色され、紫外線の影響を受けづらい状態となっていることが多く、紫外線による劣化は生じにくい。
トリメリット酸エステル類としては、トリメリット酸トリ-2-エチルヘキシル(TOTM)、トリメリット酸トリイソノニル(TINTM)、トリメリット酸トリイソデシル(TIDTM)等があるが、いずれも不適である。
炭化水素基がアルキル基のフタル酸エステルは、地上の太陽光スペクトルに存在する295nmよりも長波の紫外域に吸収を有しておらず、太陽光の紫外エネルギーで加水分解が進まない。
つまり、可塑剤として用いられる芳香族カルボン酸エステルには、フタル酸エステルとトリメリット酸エステルが存在するが、フタル酸エステルは放射冷却素材として用いることができるがトリメリット酸エステルは用いることができない。
炭化水素基がアルキル基の場合、エステル結合の強度はカルボン酸の種類に大きく依存しており、カルボン酸の種類が同一であれば紫外線吸収は同様の傾向を示すことはフタル酸とトリメリット酸の部分で説明した。
脂肪族二塩基酸エステルの脂肪族二塩基酸がアジピン酸、アゼライン酸、セバシン酸、コハク酸のように飽和ジカルボン酸であり、なおかつエステルがこれら酸と飽和グルコースとのエステル結合の場合を考える。なお飽和ジカルボン酸と飽和グルコースとの共重合体も含む。
この場合、紫外域において光学的に特徴のある官能基はエステル結合のみとなり、理論上、紫外域(200nm以上で400nm以下)の吸収スペクトルはいずれの脂肪族二塩基酸エステルも同一となる。
図14において、フタル酸エステルも脂肪族二塩基酸エステルもキセノンウエザー試験で2000時間を耐久しているが、光学的には、DOAの方が耐久性は高い。
リン酸エステルの可塑剤には、リン酸トリエステルと芳香族リン酸トリエステルが存在する。リン酸エステルの結合エネルギーは大きく、295nmより長波の紫外線で加水分解しない。故に、放射冷却装置CPの可塑剤として優れている。なお、リン酸エステルとすると、難燃性となる。
図18に、トリブチルホスフェート(TBP)の吸光度を示すが、295nmより長波の紫外線を殆ど吸収しないことがわかる。
図示は省略するが、芳香族リン酸エステルは、295nmより長波の紫外線を殆ど吸収しない。
エポキシ化脂肪酸エステルは、上述したTOTM(トリメリット酸エステル)と同様に、295nmより長波の紫外線をよく吸収する。
つまり、エポキシ化脂肪酸エステルのエポキシ基は、295nmよりも長波の紫外線を吸収し分解する。微生物によっても分解する。そのため、屋外使用する観点で使えない。
尚、エポキシ化脂肪酸エステル類としては、エポキシ化大豆油、エポキシ化亜麻仁油等のエポキシ化エステル類があるが、いずれも放射冷却装置CPの塩化ビニル系樹脂に混入する可塑剤としては使えない。
図19に示すように、フィルム層F(基材に相当)の上部にアンカー層Gを備え、当該アンカー層Gの上部に、光反射層B、保護層D、赤外放射層A(可塑剤が混入された塩化ビニル樹脂の樹脂材料層J)を備える形態に構成してもよい。
尚、フィルム層F(基材に相当)は、例えば、PET(エチレンテレフタラート樹脂)等にてフィルム状に形成されたものである。
尚、フィルム層Fと光反射層Bとの密着を強める方法には、アンカー層Gを入れる以外の方法もある。例えば、フィルム層Fの製膜面にプラズマ照射して表面を荒らすと密着性は高まる。
図20に示すように、赤外放射層Aを構成する樹脂材料層J(可塑剤が混入された塩化ビニル樹脂)に、無機材料のフィラーVを混入させて、光散乱構成を備えさせるようにしてもよい。また、図21に示すように、赤外放射層Aを構成する樹脂材料層Jの表裏両面を凹凸状に形成して、光散乱構成を備えさせるようにしてもよい。
このように構成すれば、放射面Hを見たときに、放射面Hのギラツキを抑制できるものとなる。
また、樹脂材料層JにフィラーVを混入させた場合において、保護層D及び光反射層Bが存在すると、にフィラーVを混入させた樹脂材料層Jのみの場合や光反射層Bのみの場合よりも、光反射率が向上する。
また、樹脂材料層Jの表裏両面を凹凸状にするには、エンボス加工や表面に傷を付ける加工等を行うことにより行うことができる。
つまり、樹脂材料層Jの裏面が凹凸状であっても、樹脂材料層Jと保護層Dとの間にのり層N(接合層)が位置するから、樹脂材料層Jと保護層Dとを適切に接合することができる。
図22における「光拡散層にAg層を直接形成」とは、フィラーVを混入させる或いは光反射層BであるAg層側にエンボス加工の凹凸がある赤外放射層A(樹脂材料層J)の表面に、銀(Ag)を蒸着等により成膜して光反射層Bを形成することを、意味するものである。
また、「鏡面Ag上に光拡散層」とは、光反射層BであるAg層の上面が鏡面状に形成され、当該Ag層の上部、保護層D、及び、フィラーVを混入させる或いはエンボス加工の凹凸がある赤外放射層A(樹脂材料層J)が積層されていることを、意味するものである。
以下、別実施形態を列記する。
(1)上記実施形態では、冷却対象物Eとして、放射冷却装置CP(放射冷却フィルム)の裏面に密着される物体を例示したが、冷却対象物Eとしては、冷却対象空間等、各種の冷却対象を適用できる。
ハードコートとしては、UV硬化アクリル系、熱硬化アクリル系、UV硬化シリコーン系、熱硬化シリコーン系、有機無機ハイブリッド系、塩化ビニルが存在し、いずれを用いてもよい。添加材として有機系帯電防止剤を用いてもよい。
UV硬化アクリル系の中でもウレタンアクリレートは特によい。
ハードコート(塗膜)の厚みは1~50μmであり、特に2~20μmが望ましい。
B 光反射層
D 保護層
H 放射面
J 樹脂材料層
N 接合層
Claims (16)
- 放射面から赤外光を放射する赤外放射層と、当該赤外放射層における前記放射面の存在側とは反対側に位置させる光反射層とを備える形態に構成され、
前記赤外放射層が、吸収した太陽光エネルギーよりも大きな熱輻射エネルギーを波長8μmから波長14μmの帯域で放つ厚みに調整された樹脂材料層である放射冷却装置であって、
前記樹脂材料層を形成する樹脂材料が、可塑剤が混入された塩化ビニル系樹脂であり、
前記可塑剤が、フタル酸エステル類、脂肪族二塩基酸エステル類及びリン酸エステル類からなる群より選択される1つ以上の化合物からなる放射冷却装置。 - 前記可塑剤が、前記塩化ビニル系樹脂の100重量部に対して、1重量部以上、200重量部以下の範囲で混入されている請求項1に記載の放射冷却装置。
- 前記可塑剤としての脂肪族二塩基酸エステルが、アジピン酸エステル類、アジピン酸エステル共重合体類、アゼライン酸エステル類、アゼライン酸エステル共重合体類、セバシン酸エステル類、セバシン酸エステル共重合体類、コハク酸エステル類及びコハク酸エステル共重合体類からなる群より選択される1つ以上の化合物からなる請求項1又は2に記載の放射冷却装置。
- 前記可塑剤としての脂肪族二塩基酸エステルが、脂肪族二塩基酸と飽和脂肪族アルコール2分子とがエステル結合したものである請求項1又は2に記載の放射冷却装置。
- 前記可塑剤としてのフタル酸エステルが、フタル酸と飽和脂肪族アルコール2分子とがエステル結合したものである請求項1又は2に記載の放射冷却装置。
- 前記可塑剤としてのリン酸エステルが、リン酸トリエステル、又は、芳香族リン酸エステルである請求項1又は2に記載の放射冷却装置。
- 前記樹脂材料層の膜厚が、
波長0.4μmから0.5μmの光吸収率の波長平均が13%以下であり、波長0.5μmから波長0.8μmの光吸収率の波長平均が4%以下であり、波長0.8μmから波長1.5μmまでの光吸収率の波長平均が1%以内であり、1.5μmから2.5μmまでの光吸収率の波長平均が40%以下となる光吸収特性を備え、且つ、
8μmから14μmの輻射率の波長平均が40%以上となる熱輻射特性を備える状態の厚みに調整されている請求項1~6のいずれか1項に記載の放射冷却装置。 - 前記樹脂材料層の厚みが、100μm以下で10μm以上である請求項1~7のいずれか1項に記載の放射冷却装置。
- 前記光反射層は、波長0.4μmから0.5μmの反射率が90%以上、波長0.5μmより長波の反射率が96%以上である請求項1~8のいずれか1項に記載の放射冷却装置。
- 前記光反射層が、銀または銀合金で構成され、その厚みが50nm以上である請求項1~9のいずれか1項に記載の放射冷却装置。
- 前記光反射層が、前記樹脂材料層の存在側に位置する銀または銀合金と前記樹脂材料層から離れる側に位置するアルミまたはアルミ合金の積層構造である請求項1~9のいずれか1項に記載の放射冷却装置。
- 前記赤外放射層と前記光反射層との間に保護層を備える形態に構成され、
前記保護層が、厚さが300nm以上で、40μm以下のポリオレフィン系樹脂、又は、厚さが17μm以上で、40μm以下のポリエチレンテレフタラート樹脂である請求項10又は11に記載の放射冷却装置。 - 前記樹脂材料層と前記保護層と前記光反射層とが積層された状態においてフィルム状である請求項12に記載の放射冷却装置。
- 前記樹脂材料層と前記保護層とが、接着剤又は粘着剤の接合層にて接合されている請求項12又は13に記載の放射冷却装置。
- 前記樹脂材料層に、無機材料のフィラーが混入されている請求項14に記載の放射冷却装置。
- 前記樹脂材料層の表裏両面が凹凸状に形成されている請求項14に記載の放射冷却装置。
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