JP5223145B2

JP5223145B2 - 構築物の冷却・冷房方法

Info

Publication number: JP5223145B2
Application number: JP2008545439A
Authority: JP
Inventors: ▲いつ▼紀常森; 和雄永橋
Original assignee: Kaisui Chemical Industry Co Ltd
Current assignee: Kaisui Chemical Industry Co Ltd
Priority date: 2006-11-22
Filing date: 2007-11-21
Publication date: 2013-06-26
Anticipated expiration: 2027-11-21
Also published as: JPWO2008062845A1; WO2008062845A1; US20100126702A1

Description

本発明は水の気化熱を利用した高効率の省エネルギー・冷却・冷房方法に関する。

近年、化石燃料の利用過多に起因する地球温暖化や都市部のヒートアイランド現象などの解決が喫緊の課題となっており、一方では、自然共生による住環境の質の向上も求められている。従来より、これらの問題に取り組むべく様々な新エネルギー・省エネルギーシステムが提案されてきている。

構築物を直接除熱、すなわち積極的に熱量を奪う有効な方法の一つとして水の気化熱を利用したいわゆる打ち水が挙げられる。打ち水は旧来より至る所で習慣的になされており、冷却効果については経験的に高いことが実証されている。しかしながら、効率は必ずしも高いとは言えない。すなわち、打ち水を行う際に対象面が一見全面濡れているように見えても、実際には水の凝集力や水と対象面の間の斥力により対象面が水膜によって十分に濡れることが無く、気化面積が限定され十分な気化熱を奪うことが難しいためである。

そこで、近年、対象面の濡れ面積を向上させ水の気化熱による除熱効率を上げるべくさまざまな方法が提案されてきた。概して、対象面を親水化塗膜や光触媒でおおう方法と、水に界面活性剤などの添加剤を配合する方法に大別される。
特開２００４−３２４０４３特開２００２−２０１７２７特開平６−１８５１３１

前者の方法に関しては、光触媒機能を有する二酸化チタンなどの超親水化顔料を含む塗料の塗布（吹き付け）および焼き付けによる塗膜化、親水性フィルムや親水性ラミネートフィルムの貼り付け、二酸化チタンなどの物理的若しくは化学的蒸着による表面処理方法などが挙げられるが、いずれも材料費・施工費共に非常に高価である。また、これらの表面親水化処理方法による既存構築物への適用については建築資材の取り替え改修若しくは現場塗装・張付け・設置等の必要があり、且つ、大がかりな施工となるため施工に伴う構築物の利用制限や既存構築物の色彩や構造の変更などデザイン上の問題もある。加えて、表面処理層上への有機・無機被覆物の堆積、表面処理層の摩耗・浸食および経年劣化による機能発揮阻害については不可避であり、補修・再塗装などによって経済的に更に重い負担が生じるため本方法の普及は限定的と言わざるを得ない。

後者の方法に関しては、添加剤を含んだ水が系外に流出した際、環境汚染につながるという問題がある。従って、貯水槽を設けて水を系内で循環させるなどの必要がある。当然、これらの添加剤を配合した貯留水については植物などの生長阻害を生じたり、人体への悪影響を起こす懸念があるといった理由で他用途への二次利用は難しい。また、水の飛散なども考慮すると安全性の面で懸念は完全に払拭し切れない。更に、一時的に大量の雨が流入することや、光・微生物・その他の要因で添加剤が分解することによって添加剤濃度は経時的に低下するため、添加剤濃度を測定しながら定期的に添加剤を補充する必要がある。逆に、水の気化によって添加剤濃度が上昇した場合には水を追加する必要がある。加えて、添加剤の散水対象物への付着・汚染なども生じるなど、実用に耐えないものである。発明者らは、強力な磁場の間に水を流し、界面活性力を向上せしめる試みも行ったが、結果は測定の誤差範囲内に入る程度の効果しか得られなかった

発明者らは、これらの問題を解決すべく、新たな技術思想を永年試行してきた。鋭意研究の結果、対象面の物理・化学的性質を変えることなく、且つ、広範な対象に適用可能な方法で気化熱冷却能力を改善することに成功した。マイクロバブル・ナノバブルについては通常気泡と異なり、様々な機能が見出され、応用されているが、これまで対象面における濡れ性、界面活性力の改善についての報告は全くない。発明者らは何ら別途の濡れ性改善剤を加えることなく、また、対象面の特段の濡れ性改善のための化学的処理をすることなく濡れ性を向上し、気化面積を増大し、冷却効果を高め、且つ、飛来物の堆積による気化性能の大幅低下を招くことのない方法として、散布する水そのものの物性を改良する方法を検討し、気水混合物に着目し、マイクロバブル及びナノバブル領域、すなわち、気泡直径が概ね７５μｍ、望ましくは５０μｍ以下の微細気泡を含む気水混合物を用いることで、安定的に目的を達成できる冷却・冷房方法を発明するに至った。マイクロバブル、ナノバブルの研究は近年急速に進歩し、数分ないし数日間気水混合物状態が存在することも知られている。なお、本発明で述べる気水混合物とは気体が水に完全溶解して均一になった状態ではなく、微細気泡と水が比較的安定的に共存している状態を指す。元来、気水混合物は水の浄化、魚貝類などの病害防止・成育促進、植物の成育促進、気泡による洗浄、汚泥浮上処理、汚染物質の分解等に用いられてきたが、本発明の目的とする冷却・冷房による省エネルギーやヒートアイランド防止の分野において利用する発想については例がない。本発明の原理的メカニズムは明確ではないが、微細気泡、すなわち、マイクロバブル、ナノバブルは電荷を有し、且つ、気泡内は高圧・高エネルギー状態となり、微細気泡の近傍は帯電し、電気二重層を形成しており、水の表面張力に影響を与えると共に、対象面を成す物質を静電的な引力によって引きつけ、いわゆる対象面と気水混合物の親和性を向上せしめ、気水混合物と対象面の単位長さあたりの界面張力を低下せしめ、結果として接触角を低下させ、濡れ性を有意に向上させたものと考えられる。

上記目的を達成するため、請求の範囲１項記載の発明である構築物の冷却・冷房方法は、気化熱を利用する構築物の冷却・冷房方法において、給水源（２ａ）の水から生成された、直径７５μｍ以下の微細気泡を発生時において３００個／ｍＬ以上含む気水混合物（５，３１）を散布することにより、給水源（２ａ）の水に比し、気水混合物（５，３１）の濡れ性が向上することを利用して気化面積を増大させ、冷却効果を高めることを特徴とするものである。
請求の範囲２項記載の発明は、請求の範囲１項記載の構築物の冷却・冷房方法において、気水混合物（５，３１）は、ガラス基板との接触角が１５°以下であることを特徴とするものである。
また、請求の範囲３項記載の発明は、請求の範囲１項記載の構築物の冷却・冷房方法において、散布対象面に平均空孔径７５μｍ乃至３ｍｍの表面開口部を有する厚さ１０ｍｍ以下の毛細管構造層を設けたことを特徴とするものである。
さらに、請求の範囲４項記載の発明は、請求の範囲３項記載の構築物の冷却・冷房方法において、毛細管構造層の表面に高低差１ｍｍ乃至３００ｍｍの凹凸を設けたことを特徴とするものである。
請求の範囲５項記載の発明は、請求の範囲１項乃至請求の範囲４項のいずれか１項に記載の構築物の冷却・冷房方法において、給水源（２ａ）から散水口（７，３０，４９）に至る経路に気水混合物（５，３１）の生成部（２９）を介設したことを特徴とするものである。
請求の範囲６項記載の発明は、請求の範囲１項乃至請求の範囲４項のいずれか１項に記載の構築物の冷却・冷房方法において、散水口（７，３０，４９）を気水混合物（５，３１）の生成部（２９）としたことを特徴とするものである。
請求の範囲７項記載の発明は、請求の範囲１項乃至請求の範囲４項のいずれか１項に記載の構築物の冷却・冷房方法において、貯水槽（１４）を設け、この貯水槽（１４）の一部で発生させた気水混合物（５，３１）を用いることを特徴とするものである。

本発明において、対象面とは屋根面、壁面、路面、地面、法面、擁壁面、その他の面を指す。

また、気水混合物とは、気体が水中に完全に溶解したものではなく、水中に微細な気泡が分散したものを指す。気水混合物の安定、すなわち気水混合物の物性の安定を図るためには、分散気泡の大きさが大きく影響する。本発明を実用する場合、例えば、気水混合物生成部からノズルまたはスリット部により対象面に散水し、対象面を濡らした上でその気水混合物が気化し終えるまでの間、安定的に気水混合物として存在する必要がある。これらの時間は構築物自体やその表面の温度条件、大気温度・湿度、風速などによっても異なるが、概ね５分〜数時間以上が必要である。このためには、気水混合物中の気泡径は、概ね７５μｍ以下、望ましくは５０μｍ以下であることが必要となることが判明した。微細気泡の直径が７５μｍを越えると、気泡の縮小圧縮が起こりにくく、気泡が水中を浮上し、安定した気水混合物を得ることが難しい。また、気水混合物の物性は微細気泡濃度（個／ｍＬ）によっても大きく異なる。発明者らの研究によれば、本発明で用いる気水混合物の気泡濃度に関しては気泡が３００個／ｍＬあれば効果を発揮することが判明しているが、微細気泡の濃度はより高い方が望ましい。更に、省エネルギー、冷却効果および電力コストから考えると少なくとも１０００個／ｍＬ以上であることが望ましい。微細気泡は帯電しているため、気泡の濃度が大きくなっても反発しあい、気泡同士が合体して大きい気泡となって浮上し、系外に去ることは無い。

気水混合物を対象面に搬送する方法としては、対象面上部よりの散水、上流部より下流部に向けての流下の他、対象面が毛細管構造を有した層状物の場合はその下層部または層中央からの給水を毛細管により表面まで移送する方法などがある。

散水とは、対象面全面へ即時、且つ、広範囲に気水混合物を供給することである。気水混合物の安定存在時間内に気水混合物を気化せしめることができる必要がある。気水混合物の安定存在時間から見て上面よりノズルまたはスリット構造によって散水する方法が最も効果的であることがわかった。

また、デザイン上やコスト上許される場合には、散水ムラを補い、且つ、散水の無駄を省くために対象面に毛細管構造層を用いることが有効である。この際、気水混合物の効果が維持できる時間内に、厚み方向および面方向への毛細管現象による移送および気化を完了する必要がある。発明者らの研究の結果、厚さが概ね０．２〜１０ｍｍ、平均気孔径が７５μｍ〜３ｍｍの織布、不織布、連続気泡シート、多孔質薄層、有機・無機の粒状体または繊維材料をバインダで結合した複合材料などを用いることにより本方法は実現可能であることがわかった。微細気泡径上限が７５μｍであることから、平均空孔径が７５μｍ以上ないと気泡により毛細管連続性が切断され、気水混合物の移送が困難となり、また、平均気孔径が３ｍｍ以上であると、１０ｍｍ程度の垂直移送は困難となる。気化面積を増大させるには、毛細管構造層を有した対象面が更に高低差を有する凹凸を備えると良い。この凹凸は、気化面積を増大させるためには、少なくとも１ｍｍ程度の高低差があることが望ましく、また、あまり凹凸の高低差が深過ぎると風の通りが阻害されることから３００ｍｍ程度迄が限界となる。これらの凹凸は、対象面自体の加工時や毛細管構造層の塗布時に上面より型材でプレス加工をしたり、毛細管構造層を吹き付けにより造る際の凹凸の利用、厚みに凹凸を有した毛細管構造シートを張り付けるなどの方法が用いられる。本方法は屋根面のほか、壁面、法面、擁壁面などでも有効である。

流下とは重力によって上流部より下流部へ水流を成して気水混合物を供給することである。しかしながら、例えば、波状瓦や波状金属屋根のように凹凸のある面には凹部に水流が集中してしまい、対象面全面を濡らすことができない。仮に対象面が平坦であったとしても水が上流より下流に達するまでに時間がかかり、且つ、対象面が太陽光や周囲の構造物の輻射熱、対象物の蓄熱などによって高温となるほど気水混合物の安定性は低下し、下流部では気水混合物は安定に存在し得ず、効果も期待できなくなる。（例えば、６０℃で勾配３°の対象面で全面に薄く流下させた場合、５ｍを越した部分では既に気水混合物中の気泡は目視では確認できなかった。）従って、下流部や凸部を全面濡らすためには多くの水供給が必要となり、水の浪費になると共に、移送エネルギーの無駄を生じてしまう。従って、対象面が垂直または勾配の大きい場合に流下は用いられる。

また、毛細管構造シートが厚く毛細管現象で下層部または層中央部より気水混合物を供給する場合においても、気水混合物の安定存在時間内に気水混合物が毛細管構造物表面まで移送され気化することは困難を伴う。従って、毛細管構造シートの厚さについては１００ｍｍを越えないことが望ましい。

気水混合物の生成方法は大別してベンチュリ管方式、細孔方式、加圧溶解・キャビテーション方式、超音波方式、気液混合・剪断方式、超高速旋回方式などがあるが、本発明に用いる方法はいずれでも良い。これらの内、ベンチュリ管方式や細孔方式では微細な気泡分散をさせ、安定な気水混合物を経済的に得ることは現時点では実用的に難しい。一方、加圧溶解・キャビテーション方式、超音波方式では水中に溶存させた気体物質を気泡化する方法であり、微細な気泡分散を実現することができる。しかしながら、両方法とも溶存気体量しか気泡化できず、超音波方式の場合、波動衝撃により一旦生成した微細気泡が圧壊されることから濡れ性を向上させるに十分な気水混合物を生成させることは現状では難しい。また、加圧溶解・キャビテーション方式では溶存量を上げるために加圧エネルギーを要するという難点がある。また、気液混合・剪断方式によっても微細な気泡分散を実現することができる。更に、超高速旋回方式といわれる気液二層流体を超高速旋回流とすることで微細な気泡分散を実現することができる。いずれの方法を用いても、生成された気水混合物に関しては乳白色に懸濁している方がより多くの微細気泡を含んでおり、中には平均気泡径１０〜１５μｍ、数千個／ｍＬ以上の微細気泡を得られる気水混合物生成器があるので、こういったものを用いることが好ましい。

気水混合物生成部は給水源から散水口に至る各所に設置できる。すなわち、（１）給水源から散水口に至る経路上に設置される場合、（２）散水口部に設ける場合、（３）貯水槽を置く場合には貯水槽内に設ける場合に大別されるが、それぞれに特徴を有し、対象面の規模、構造、給水源の種類、貯水槽を置く場合には貯水槽と散水口間の距離、総合的な経済性などによって適宜選択される。

気水混合物生成部を給水源から散水口に至る経路に設置することにより気水混合物の散水口への移送時間を短縮することができる。また、給水源として水道水、地下水、工業用水などを直接用いる場合においてはなるべく散水口に近い部分に気水混合物生成部を設けることがよい。

本発明によれば簡易な設備により別途冷房は殆ど必要としないか、必要な場合でも僅かの別途冷房負荷しか要せず、大幅な省エネルギーが実現される。また、通常の打ち水に比しても明瞭な効果が示されており、且つ、新設・既設を問わず広範な対象面の冷却に適用できる画期的な方法といえる。更には、対象面の材質の違いにも広く適用でき、砂塵や付着物の影響も受けにくい。また、例えば路面のように対象面が摩耗していく場合においてもそのまま利用できる技術であり、省エネルギー、ヒートアイランド現象の緩和などに高い効果を発揮することができる。

本発明に関しては、建材の劣化が直接的に気化性能の低下に繋がらないため、経年的な性能低下も生じにくい。経済的にも負担が少なくなり本発明の普及効果が期待できる。

施工に関しては、構築物に供給水源、水の供給管、気水混合物生成部、散水ノズル・スリット、必要に応じて貯水槽と揚水ポンプなどを付加するだけでよい。更に、より効率を上げるためには、毛細管構造層を対象面に存在させることが有効である。

本発明を用いることにより、対象面の材料そのものを製造し、搬送し、設置、取り替える材工費は全く不要であり、材工コスト、工期およびデザイン上の制約・変更も不要または最小限にとどめられることは普及上大きい効果の一つといえる。また、設置後の対象面部材の清掃・塗り替え・設置のし直し、薬剤の注入などといったメンテナンスは殆ど必要がないため、実用上の効果もある。効率を一層向上させるため、毛細管構造層を設ける場合にもメンテナンスは殆ど必要としない。

本発明では、添加剤は全く要さないことから薬剤の注入などのメンテナンスは殆ど必要なく、環境や植物、人体にとっても好適な水を確保することもできる効果がある。従って、他用途への水の利用も可能である。

圧力容器型気水混合物生成装置の概略図である。オープン型気水混合物生成装置の概略図である。貯水槽型気水混合物生成装置の概略図である。隔壁貯水槽型気水混合物生成装置の概略図である。隔壁筒貯水槽型気水混合物生成装置の概略図である。本発明を適用した構築物の全体斜視図である。固体表面に水滴を滴下した際の水と固体の濡れ状態の概略図である。ガラス板上における液滴滴下・乾燥後の液滴痕の輪郭図である。塗装鋼板上における液滴滴下・乾燥後の液滴痕の輪郭図である。気化冷却・冷房試験における実験棟の概略図である。

符号の説明

１器体
２給水管
２ａ給水源
３吸気管
３ａ吸気口
４気水混合物生成器
５気水混合物
６散水管
６ａ散水管吸水部
７散水口
８対象面温度制御器
９電磁弁
１０送水ポンプ
１１通気管
１２水位計
１２ａ水位センサー
１２ｂ水位センサー
１３送水ポンプ
１４貯水槽
１５浄化用循環管
１５ａ浄化用循環管吸水部
１６空気ポンプ
１７空気フィルタ
１８循環管
１８ａ循環管吸水部
１９循環ポンプ
２０隔壁
２１隔壁筒
２２対象物
２３水
２４構築物
２４ａ屋根
２５貯水槽
２６揚水管
２７砂濾しフィルタ
２８揚水ポンプ
２９気水混合物生成部
３０散水口
３１気水混合物
３２雨樋
３３集水管
３４初流カット機構
３５沈砂槽
３６粗ゴミフィルタ
３７利水栓
３８ａ散水制御弁
３８ｂ循環制御弁
３９オーバーフロー管
４０水栓
４１凍結破損防止弁
４２浄化用循環管
４３散水管
４４対象面温度制御器
４５壁
４６天井
４７屋根
４８床
４９散水口
５０ａ−５０ｅ界面活性剤配合水滴下・乾燥後の輪郭
５１ａ−５１ｅ気水混合物滴下・乾燥後の輪郭
５２ａ−５２ｅ水道水滴下・乾燥後の輪郭
５３ａ−５３ｅ界面活性剤配合水滴下・乾燥後の輪郭
５４ａ−５４ｅ気水混合物滴下・乾燥後の輪郭
５５ａ−５５ｅ水道水滴下・乾燥後の輪郭

以下、本発明実施の形態について説明する。給水源から散水口に至る経路に設置する気水混合物生成部の一例として、図１に圧力容器型気水混合物生成装置の概略図を示す。給水源２ａから送水ポンプ１０によって圧送された水は給水管２を通って気水混合物生成器４に送られる。一方、空気は空気ポンプ１６によって吸気口３ａより空気フィルタ１７、吸気管３を通って気水混合物生成器４に送られる。気水混合物生成器４内にて水と空気が混合されて気水混合物５が生成される。生成した気水混合物５は気水混合物生成器４の直上に位置する散水管吸水部６ａから散水管６を通って例えばノズルやスリットに代表される散水口７に送られる。この場合、気水混合物生成器４内における水圧は散水管吸水部６ａ、すなわち器体１内の水圧より充分大きく設定し、気水混合物５を生成するために必要な圧差を取ることができる場合に本方式は適用可能である。この際、微細気泡量を増加させるために、吸気管３に空気フィルタ１７を用いて加圧空気を送ることで気水比率の増大と気水混合物５の送水量を増大させることができる。送水ポンプ１０は対象面に設置された温度センサーと制御スイッチから成る対象面温度制御器８により、対象面の設定温度下限、上限に応じてｏｎ−ｏｆｆ制御される。すなわち、上限設定温度まで対象面の温度が上昇すると送水ポンプ１０が作動し、下限設定温度まで対象面の温度が下降すると送水ポンプ１０が停止する。

別の例として、図２にオープン型気水混合物生成装置の概略図を示す。給水源２ａから圧送された加圧水は電磁弁９を経由し給水管２を通って器体１内に送られる。器体１内の気水混合物５の液面水位は水位計１２によって機械的または電気的に感知され、水位の下限、上限の設定に応じて電磁弁９を開閉させることにより制御される。すなわち、水位センサー１２ａまで水位が下がると電磁弁９を開いて水を供給し、水位センサー１２ｂまで水位が上がると電磁弁９を閉じる。器体１の下部には循環管吸水部１８ａが設けてあり、器体１内の水は循環ポンプ１９によって循環管１８を通って気水混合物生成器４に送られる。一方、空気は吸気口３ａより空気フィルタ１７、吸気管３を通って気水混合物生成器４に送られる。気水混合物生成器４内にて水と空気が混合されて気水混合物５が生成される。生成した気水混合物５は気水混合物生成器４の直上に位置する散水管吸水部６ａから送水ポンプ１３により散水管６を通って散水口７へ送られる。器体１内の気水混合物５が尽きないようにするために、加圧水の流量は送水ポンプ１３の流量より大きい必要がある。加圧水の流量が不足している場合には給水源２ａに別途ポンプを設けて加圧するとよい。また、器体１の上部には通気管１１を設け、器体１内が常圧となるようにされている。送水ポンプ１３および循環ポンプ１９は対象面に設置された温度センサーと制御スイッチから成る対象面温度制御器８により、対象面の設定温度下限、上限に応じてｏｎ−ｏｆｆ制御される。すなわち、上限設定温度まで対象面の温度が上昇すると送水ポンプ１３、循環ポンプ１９が作動し、下限設定温度まで対象面の温度が下降すると送水ポンプ１３、循環ポンプ１９が停止する。本方式では少なくとも送水ポンプ１３、循環ポンプ１９の２つのポンプを要するが、必要最小出力のポンプを用いることができる。また、器体１を耐圧仕様にしなくてよいという利点もある。

気水混合物の生成は散水口で行うこともできる。この場合、複数の散水口それぞれに気水混合物生成機構を設ける必要があるため、コストが高くなる反面、（１）気水混合物発生から構築物の対象面での気水混合物の気化までの時間は短くなり、気水混合物の濡れ効果を持続し易くなる、（２）発生した気水混合物を移送するためのポンプの必要がなくなり、コストを下げられる、などの有利性がある。対象面の面積、構造などとの関係で最も経済的な方法が選択される。例えば、路面や大規模な工場の商業施設、擁壁面、法面などで気水混合物の移送距離が長い場合においては各散水口部またはその近傍で気水混合物の生成を行うことが望ましい。

貯水槽とは水道水、地下水、雨水などを貯留する槽のことである。貯水槽全体を気水混合物生成部とすることもできるが、貯水槽が大きい場合には常に槽全体の気水混合物の気相比率を安定的に保つために常時気水混合物生成部を稼動させておく必要があり、電力消費が過大となるために好ましくない。このため、貯水槽の一部に気水混合物生成部を設置し、その直上に散水口に至る配管の開口部を位置せしめて気水混合物を直ちに散水口に送ることが好ましい。より望ましくは、貯水槽の一部に平面、曲面または円筒状の隔壁を設け、その下部に気水混合物生成部を設け、その直上に散水口に至る配管端を位置せしめると良い。貯水槽の一部で生成された気水混合物は散水停止時などにおいて槽内を循環せしめて、槽内全体の気体溶解度を高めておくことで、散水時の気水混合物の生成をより迅速且つ効率的に行うことができる。

貯水槽内に設ける気水混合物生成部の一例として、図３に貯水槽型気水混合物生成装置の概略図を示す。浄化用循環管吸水部１５ａから取水された水は浄化用循環管１５を通って循環ポンプ１９を経て気水混合物生成器４へ送られる。水は気水混合物生成器４内で吸気口３ａより空気フィルタ１７、吸気管３を通じて供給された空気と混合されて気水混合物５となり、気水混合物生成器４の直上に設けられた散水管吸水部６ａより散水管６を通り、送水ポンプ１３を経て散水口７へ送られる。送水ポンプ１３および循環ポンプ１９は対象面に設置された温度センサーと制御スイッチから成る対象面温度制御器８により、対象面の設定温度下限、上限に応じてｏｎ−ｏｆｆ制御される。すなわち、上限設定温度まで対象面の温度が上昇すると送水ポンプ１３、循環ポンプ１９が作動し、下限設定温度まで対象面の温度が下降すると送水ポンプ１３、循環ポンプ１９が停止する。一方、循環ポンプ１９は別途電源ラインによりタイマー制御される。なお、浄化用循環管１５は貯水槽１４内の水を循環させ、散水管６に送られなかった気水混合物５の貯水槽１４内への拡散を容易にするという作用を有する。これにより、貯水槽１４内の気体溶解度は速やかに飽和状態に達する。このように貯水槽１４内の気体溶解度を飽和させておくと、気水混合物生成器４において、より高濃度の気水混合物５を得ることができ、更に、貯水槽１４内の溶存酸素量が高くなることによって貯水槽１４内に好気性微生物が繁殖・活性化しやすい環境となり、一時的に混入した落葉や鳥の糞などの有機物の分解が促進されるため、水質維持の観点からも好ましい。また、貯水槽１４内の気水混合物５の液面水位を水位計１２によって機械的または電気的に感知し、水位の下限、上限の設定に応じて電磁弁９を開閉させて一時的に水道水を補給することにより、貯水槽１４内の水が枯渇しない。すなわち、水位センサー１２ａまで水位が下がると電磁弁９を開いて水道水を供給し、水位センサー１２ｂまで水位が上がると電磁弁９を閉じる。

貯水槽内における気水混合物をより効率的に利用するための一例として、図４に隔壁貯水槽型気水混合物生成装置の概略図を示す。貯水槽１４の一部に隔壁２０を有した気水混合物の発生域を設けた。隔壁２０は非透水性、透水性のいずれでも良いが、透水性の場合発生した気水混合物５が徒に拡散しない程度の透水抵抗があれば良い。気水混合物生成器４に浄化用循環管給水部１５ａ、浄化用循環管１５、循環ポンプ１９を通じて水を供給する。水は気水混合物生成器４内で吸気口３ａより空気フィルタ１７、吸気管３を通じて供給された空気と混合されて気水混合物５となり、気水混合物生成器４の直上に位置した散水管吸水部６ａより散水管６、送水ポンプ１３を経て散水口７に気水混合物５を移送する。送水ポンプ１３および循環ポンプ１９は対象面温度制御器８により、ｏｎ−ｏｆｆ制御される。すなわち、上限設定温度まで対象面の温度が上昇すると送水ポンプ１３、循環ポンプ１９が作動し、下限設定温度まで対象面の温度が下降すると送水ポンプ１３、循環ポンプ１９が停止する。一方、循環ポンプ１９は別途電源ラインによりタイマー制御され、貯水槽１４内の気体溶解度を飽和させておくとより良い。また、貯水槽１４内の気水混合物５の液面水位を水位計１２によって機械的または電気的に感知し、水位の下限、上限の設定に応じて電磁弁９を開閉させて一時的に水道水を補給することにより、貯水槽１４内の水が枯渇しない。すなわち、水位センサー１２ａまで水位が下がると電磁弁９を開いて水道水を供給し、水位センサー１２ｂまで水位が上がると電磁弁９を閉じる。

さらに、より効率的に気水混合物を利用するため底部のみが密閉された円筒形などの隔壁筒２１を設けた一例を図５に示す。隔壁筒２１内の下部に設けられた気水混合物生成器４に浄化用循環管給水部１５ａ、浄化用循環管１５、循環ポンプ１９を通じて水を供給する。水は気水混合物生成器４内で吸気口３ａより空気フィルタ１７、吸気管３を通じて供給された空気と混合されて気水混合物５となり、気水混合物生成器４の直上に位置した散水管吸水部６ａより散水管６、送水ポンプ１３を経て散水口７に移送される。送水ポンプ１３および循環ポンプ１９は対象面温度制御器８により、ｏｎ−ｏｆｆ制御される。すなわち、上限設定温度まで対象面の温度が上昇すると送水ポンプ１３、循環ポンプ１９が作動し、下限設定温度まで対象面の温度が下降すると送水ポンプ１３、循環ポンプ１９が停止する。一方、循環ポンプ１９は別途電源ラインによりタイマー制御され、貯水槽１４内の気体溶解度を飽和させておくとより良い。この場合においても隔壁筒２１は非透水性、透水性のいずれでも良いが、発生した気水混合物５が徒に拡散しない程度の透水抵抗があればよい。また、貯水槽１４内の気水混合物５の液面水位を水位計１２によって機械的または電気的に感知し、水位の下限、上限の設定に応じて電磁弁９を開閉させて一時的に水道水を補給することにより、貯水槽１４内の水が枯渇しない。すなわち、水位センサー１２ａまで水位が下がると電磁弁９を開いて水道水を供給し、水位センサー１２ｂまで水位が上がると電磁弁９を閉じる。

給水源に関しては、水道水、地下水、工業用水、中水、貯留用水、雨水その他の貯留水などが利用可能である。水道水を用いる場合に関しては屋根温度や屋根勾配、湿度、風速、散水量および水滴径にもよるが、気化しきらなかった水の回収・再利用などを考えると、貯水槽を設けて水を循環することが望ましい。また、給水源に雨水を用いる場合、貯水槽は必須となる。いずれの場合においても、屋根などから貯水槽に集水することになる。また、貯水槽の容量以上に水が流入した場合には、オーバーフロー管によって側溝などに余剰水を排水する。

濡れ性に関する理論的な説明としては、対象物および水の界面張力・表面張力によって説明することができる。図７は固体表面に水滴を滴下した際の水と固体の濡れ状態の概略図である。すなわち、図７のような対象物２２に少量の水２３を滴下した際の対象物２２と水２３の濡れ状態に関しては、以下のＹｏｕｎｇの式によって表される。

γｓは対象物２２の単位長さあたりの表面張力（Ｎ／ｍ）、γｗは水２３の単位長さあたりの表面張力（Ｎ／ｍ）、γｓｗは水２３／対象物２２の単位長さあたりの界面張力（Ｎ／ｍ）、θは接触角（°）である。水２３の形状はこれらの表面張力および界面張力の釣り合いによって決定されている。θの角度が小さいほど水２３は対象物２２表面上に薄く広く拡がり濡れ性が良好であることを意味する。従って、γｓｗおよびγｗを小さくすれば濡れ性が向上することになる。例えば、対象物２２表面に親水化処理を施した場合、γｗが小さくなって濡れ性が向上する。一方、水２３に界面活性剤を配合した際にはγｓｗとγｗが小さくなって濡れ性が向上する。水２３の代わりに気水混合物を滴下した場合、微細な気泡を取り込むことによって水２３と空気との親和性が良くなるためにγｗが小さくなるものと考えられる。しかしながら、実施例（図８、９）において後述するが気水混合物ｂは水道水ｃに比してガラス板（図８）および塗装亜鉛鋼板（図９）に滴下した際の親和性が良好であったため、γｓｗも小さくなっているものと考えられる。更には、気水混合物の粘度低下効果も加わり、結果的に大きい濡れ効果が示されると考えられる。

図６は本発明を適用した構築物の全体斜視図である。構築物２４には貯水槽２５が併設してある。構築物２４の屋根２４ａには下限、上限の２つの設定温度でｏｎ−ｏｆｆ制御することのできる対象面温度制御器４４が取り付けられており、屋根２４ａの温度が上限設定温度まで上昇すると散水制御弁３８ａが開いて揚水ポンプ２８が作動し、気水混合物３１が屋根２４ａ面に散布され、屋根２４ａ面の気化熱による冷却が進み、下限設定温度まで下がると散水制御弁３８ａが閉じて揚水ポンプ２８が切れるようになっている。散水制御弁３８はタイマー方式で制御しても良い。揚水管２６の途中には砂濾しフィルタ２７と気水混合物生成部２９が設けられている。気水混合物生成部２９で生成された気水混合物３１は構築物２４の屋根２４ａまで送水され、１個若しくは複数個の例えばノズルやスリットに代表される散水口３０により短時間で広範囲に散水されて構築物２４の屋根２４ａ面に気水混合物３１による水膜を形成する。散水された気水混合物３１の一部は蒸発し、構築物２４の屋根２４ａより気化熱を奪う。一方、蒸発しなかった水は雨樋３２で回収され、集水管３３の途中に設置された初流カット機構３４、沈砂槽３５、粗ゴミフィルタ３６を経由して再び貯水槽２５に回収される。本発明による冷却・冷房に際しては、水道水、地下水、中水などが利用可能であるが、大量の水を必要とするため、水道料金・揚水負荷などを考慮すると貯留・浄化された雨水の利用が最も望ましい。本例に関しては降雨の際に雨水を貯留する機能も備えている。多量の降雨などによって貯水量が貯水槽の容量を超過して流入した場合には、超過分の雨水はオーバーフロー管３９によって系外に流出される。また、渇水などによって貯水槽２５の水が不足した場合には水栓４０を開くことによって一時的に水道水や工業用水などを利用することも可能である。貯水槽２５に貯留した水に関しては循環制御弁３８ｂをタイマー制御で開いて定期的に循環することにより水質を保つことができる。また、利水栓３７を開くことによって雑用中水として貯留水を有効利用することもできる。冬期においては凍結による配管破損の可能性が考えられるため、凍結破損防止弁４１を開いておくと良い。屋根２４ａのみでなく、壁面や構築物２４の周辺にも気水混合物３１を散水することにより、一層の省エネルギー効果が期待できる。

以下に、実施例を示すことによって本発明を具体的に説明する。本発明は、以下の実施例によって何ら限定されるものではない。

表１に各材質の基板（ガラス板、塗装亜鉛鋼板）に５μＬの各種液滴（界面活性剤配合水、気水混合物、水道水）を滴下した際の基板と液滴の接触角（株式会社協和界面科学製接触角計「商品名：ＣＡ−Ｓミクロ２型接触角計」により測定）を示す。表１中の数値は繰り返し数５で測定した際の平均値、括弧内の数値は最大値と最小値の差を示す。ガラス板に関してはソーダライムガラス製の汎用規格品（組成を表２に示す）で、厚さ１ｍｍ、１００ｍｍ角のものを用いた。塗装亜鉛鋼板に関しては株式会社淀川製鋼所製金属折板屋根「商品名：ヨドルーフ８８（登録商標）（厚さ０．５ｍｍ、青色）」の平面部を１０ｃｍ角に切断したものを用いた。界面活性剤配合水については、花王株式会社製台所用洗剤「商品名：ファミリーフレッシュ（登録商標）」を水道水に０．１ｍｇ／Ｌの割合で配合、攪拌して作成した。気水混合物については、空気／水道水の体積比が１／１０の空気／水道水を有限会社バブルタンク製微細気泡発生装置「商品名：ＢＴ−５０」に１０Ｌ／ｍｉｎで通過させることによって作成した。表１を見ると、いずれの基板においても気水混合物の接触角は水道水のそれよりも有意に小さく、且つ界面活性剤配合水とほぼ同等であった。

図８にガラス板上に２μＬの界面活性剤配合水（５０ａ、５０ｂ、５０ｃ、５０ｄ、５０ｅ）、気水混合物（５１ａ、５１ｂ、５１ｃ、５１ｄ、５１ｅ）、および水道水（５２ａ、５２ｂ、５２ｃ、５２ｄ、５２ｅ）を繰り返し数５で滴下し、液滴を室温２８℃、相対湿度７０％、無風状態にて乾燥後に基板上に残った液滴痕の輪郭図を示す。気水混合物および界面活性剤配合水は実施例１と同様に作成した。気水混合物および界面活性剤配合水に関しては、水道水に比して液滴接触面が広く、且つ均一に濡れていることがわかる。また、図９にガラス板上に実施例１と同様の調整を行った２μＬの界面活性剤配合水（５３ａ、５３ｂ、５３ｃ、５３ｄ、５３ｅ）、気水混合物（５４ａ、５４ｂ、５４ｃ、５４ｄ、５４ｅ）、および水道水（５５ａ、５５ｂ、５５ｃ、５５ｄ、５５ｅ）を繰り返し数５で滴下し、液滴を室温２８℃、相対湿度７０％、無風状態にて乾燥後に基板上に残った液滴痕の輪郭図を示す。気水混合物および界面活性剤配合水に関しては、水道水に比して液滴接触面が広く濡れていることがわかる。従って、気水混合物は有機・無機のいずれの基材に対しても濡れ性に優れていることがわかった。

図１０は気化冷却・冷房試験における実験棟の概略図である。また、図１０に示す実験棟（木造平屋建て、厚さ１０ｍｍの合板製壁４５と厚さ２ｍｍの合板製天井４６と平均厚さ３０ｍｍのセメント瓦屋根４７および厚さ５０ｍｍのコンクリート製床４８を有し、単層ガラス窓部および単層ガラスドア部の壁面に占める割合が１２．５％）の屋根頂部６カ所より例えばノズルやスリットに代表される散水口４９（株式会社カクダイ製スプレーノズル「商品名：ミニスプレイ５７９６」）を用いて各種水（実施例１と同様の調整を行ったもの）を散水（１Ｌ／ｍ２・ｈを９時から１６時まで散水、室外最高気温３７℃）した際の室内最高温度（床面より１１００ｍｍ高の室内中央部で測定）を表３に示す。気水混合物において最も優れた気化による冷却・冷房効果を確認することができた。

以上説明したように、本発明は水の気化熱を利用して構築物から積極的に熱量を奪う方法に関するものであり、特に、一般家庭や企業等において建物の内部を外部より冷却あるいは冷房する場合や、ヒートアイランド対策として路面を冷却する場合などに利用可能である。

Claims

気化熱を利用する構築物の冷却・冷房方法において、給水源（２ａ）の水から生成された、直径７５μｍ以下の微細気泡を発生時において３００個／ｍＬ以上含む気水混合物（５，３１）を散布することにより、前記給水源（２ａ）の水に比し、前記気水混合物（５，３１）の濡れ性が向上することを利用して気化面積を増大させ、冷却効果を高めることを特徴とする構築物の冷却・冷房方法。
前記気水混合物（５，３１）は、ガラス基板との接触角が１５°以下であることを特徴とする請求の範囲１項記載の構築物の冷却・冷房方法。
前記散布対象面に平均空孔径７５μｍ乃至３ｍｍの表面開口部を有する厚さ１０ｍｍ以下の毛細管構造層を設けたことを特徴とする請求の範囲１項記載の構築物の冷却・冷房方法。
前記毛細管構造層の表面に高低差１ｍｍ乃至３００ｍｍの凹凸を設けたことを特徴とする請求の範囲３項記載の構築物の冷却・冷房方法。
給水源（２ａ）から散水口（７，３０，４９）に至る経路に前記気水混合物（５，３１）の生成部（２９）を介設したことを特徴とする請求の範囲１項乃至請求の範囲４項のいずれか１項に記載の構築物の冷却・冷房方法。
前記散水口（７，３０，４９）を前記気水混合物（５，３１）の生成部（２９）としたことを特徴とする請求の範囲１項乃至請求の範囲４項のいずれか１項に記載の構築物の冷却・冷房方法。
貯水槽（１４）を設け、この貯水槽（１４）の一部で発生させた前記気水混合物（５，３１）を用いることを特徴とする請求の範囲１項乃至請求の範囲４項のいずれか１項に記載の構築物の冷却・冷房方法。