JP6849073B2 - 反射制御層を有する移動体 - Google Patents

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Description

本発明は、その表面に反射制御層が形成された移動体に関する。
従来から、DNAを赤外蛍光プローブで検出するために、赤外蛍光体として酸化チタンを使用することが知られていた(特許文献1参照)。特許文献1には、赤外蛍光性とは、紫外可視領域の光を吸収した際に赤外線を発光する特性を示すこと、及び、酸化チタンを0.3μm以上0.4μm以下の波長域の光で励起し、0.7μm以上1.2μm以下の波長域の光で発せられる蛍光を利用することが記載されている。
国際公開第2015/046004号
一方、本発明の発明者等は、移動体の空気抵抗を低減する為に、移動体の近傍の空気の流速が遅くなる領域(境界層)の外側の領域(主流)の温度を上げることが有効であるという知見を得た。そして、この知見に基づき、本発明の発明者等は、主流の温度を上げる為に、移動体の表面での太陽光の反射強度のうち、大気中の太陽光を吸収する物質(太陽光吸収物質)の吸収帯域の光の反射強度を高める、という課題を認識した。
しかし、太陽光吸収物質の吸収帯域は0.75μm以上であるため、特許文献1の酸化チタンは、太陽光吸収物質の吸収帯域の光の反射強度を高める反射制御層として有効に利用できない。
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、移動体の周囲の主流の空気温度を上げて移動体の空気抵抗を低減させることである。
本発明の一態様に係わる移動体は、その表面に形成された、入射する太陽光のうち0.3μm〜0.75μmの波長域の光を吸収し、0.75μm〜100μmの波長域の光を放出する反射制御層を有する。
本発明の一態様によれば、移動体の周囲の主流の空気温度を上げて移動体の空気抵抗を低減させることができる。
図1は、第1実施形態に係る自動車1の表面の構造を示す拡大断面図である。 図2Aは、波長制御物質22の蛍光を説明する為の模式図である。 図2Bは、波長制御物質22の励起波長域と蛍光波長域を説明する為の模式図である。 図3は、第2実施形態に係る自動車1の表面の構造を示す拡大断面図である。 図4は、第2実施形態の変形例に係る自動車1の表面の構造を示す拡大断面図である。 図5は、反射光による主流2の温度上昇の検証結果を示すグラフ図である。 図6は、自動車1の周りに生じる空気の流れを示す模式図である。 図7は、図6の領域Xeを拡大した拡大断面図である。 図8は、異なる屈折率の物質によって挟まれた薄膜における光の屈折の様子を示す図である。
図面を参照して、実施形態を説明する。図面の記載において同一部分には同一符号を付し説明を省略する。以下では、移動体が自動車である場合を挙げて説明する。
(第1実施形態)
図6は、本実施形態に係る自動車1の、走行中に生じる空気の流れを示す。また、図7は、本実施形態に係る自動車1の表面近傍の、自動車1の進行方向に沿った拡大断面図である。
図1に示すように、自動車1の車体1aの表面には車体塗装層20が形成され、さらに車体塗装層20の上に反射制御層21が形成されている。
反射制御層21は、太陽光の波長域(0.3μm〜100μm)にある光のうち、波長が0.3μm以上0.75μm未満の光を吸収し、波長が0.75μm以上100μm以下の光を放出する。地上に到達する太陽光の波長域は、近紫外線の波長域(0.3μm〜0.38μm)、可視光域(0.38μm〜0.75μm)、赤外放射の波長域(0.75μm〜100μm)からなる。また、赤外放射の波長域は、近赤外線の波長域(0.75μm〜3μm)及び中赤外線および遠赤外線の波長域(3μm〜100μm)からなる。よって、反射制御層21は、自動車1の表面に入射する近紫外線の波長域(0.3μm〜0.38μm)及び可視光域(0.38μm〜0.75μm)の光を、赤外放射の波長域(0.75μm〜100μm)の光へ変換して反射する性質を有する。この性質により、自動車1の表面における0.75μm〜100μmの波長域の光の反射強度を高めることができる。
<走行中の自動車1の周りの空気の流れ>
図6に示すように、自動車1の静止系で見たとき、走行中の自動車1の周りには自動車1の表面に沿った空気の流れが発生する。図7に示すように、自動車1の表面近傍では、空気と自動車1の表面との間に生じる粘性摩擦によって空気の流れは遅くなっており、境界層41が形成されている。境界層41では、自動車1の表面から離れるほど空気の速度は大きくなり、空気の速度は、空気に対する自動車1の相対速度に近づいていく。
自動車1の表面から離れて境界42よりも外側の外部領域43では、もはや空気と自動車1の表面との間に生じる粘性摩擦の影響はなくなっており、空気の速度は、空気に対する自動車の相対速度にほぼ等しくなっている。外部領域43における空気の流れを主流2と呼ぶ。
<空気抵抗低減のメカニズム>
次に、0.3μm〜0.75μmの波長域にある光を反射する反射制御層21を自動車1が有することによって、自動車1の空気抵抗が低減されるメカニズムを説明する。
一般に、走行中の自動車1が空気から受ける力は、自動車1の前後、左右、上下の各軸方向の力と各軸周りのモーメントで表され、総称して空力六分力と呼ばれる。通常、走行中の自動車1が空気から受ける力は無次元化して表され、特に前後方向の力である空気抵抗Fは、次の数式1によって表される空気抵抗係数Cによって表される。ここで、ρは、外部領域43の空気の密度、Aは、自動車1の進行方向に対する前面投影面積、Vは、主流に対する自動車1の相対速度である。
Figure 0006849073
空気抵抗係数Cは、空気の動圧「ρV/2」と前面投影面積Aの積によって、空気抵抗Fを除した値である。空気抵抗係数Cは、自動車1の形状に依存して決まる量であり、走行時の燃費、最高速度、加速性能などに影響を及ぼす。自動車1のような物体の空気抵抗Fは、自動車1全体でみたときには圧力抵抗が支配的であり、航空機で問題となる摩擦抵抗は自動車1では小さい。そのため、自動車1において空気抵抗Fを低減するためには、圧力抵抗を小さくすることに着目するのが効果的である。
上記着目に基づいて数式1を見直すと、通常の自動車の設計において、前面投影面積Aは、圧力抵抗を小さくするために車両の設計で対応可能なパラメータとしてみなされる。一方、主流の空気密度ρ、および、速度Vについては、自動車の走行環境に応じて変動しうるものであるため、車両の設計で対応可能なパラメータとしてみなされない。
しかしながら、上記の既存概念の枠にとらわれることなく、本発明の発明者は、主流の空気密度ρは、圧力抵抗を小さくするために車両の設計で対応可能なパラメータとなりうると考えた。そして、空気抵抗Fの大部分を占める圧力抵抗が主流の空気密度ρに比例することに着目し、主流2の空気を加熱することで主流2の空気密度ρを下げ、その結果、空気抵抗Fを低減することが可能であるとの知見を得た。
主流2の空気は、自動車1の表面から離れた場所にあるため、直接に加熱することはできない。しかしながら、所定の波長域にある光を反射する反射制御層21を自動車1の表面に設けることにより、太陽、雲、空気中の水蒸気などから照射される光や、路面から放射される赤外線などの光が、反射制御層21によって反射され、反射された光によって主流2の空気を加熱することができる。
以上の理由により、自動車1が反射制御層21を有することによって、自動車1の空気抵抗が低減される。
<反射光による主流2の温度上昇>
上述したメカニズムで実際に主流2の空気を加熱可能であることを検証するため、発明者は自動車1の走行環境を模すため、風洞内に自動車1のフェンダーを配置し、空気が流れる状態でフェンダー部分に疑似太陽光を照射した。そして、疑似太陽光が照射された部位を流れる空気が、当該部位を通過する前後でどの程度、温度上昇するかを測定した。ここで、同一形状のフェンダーであって、塗装を変えた3種類のフェンダーを用意し、検証を行った。フェンダー上に形成される塗装層が、本実施形態における反射制御層21に相当する。
図5は、反射光による主流2の温度上昇の検証結果を示すグラフ図である。図5には、検証を行った実験例1〜3に係る評価結果が示されており、符号81は、「スーパーブラック」と呼ばれる標準的な黒色塗装を施した実験例1、符号82は、「ホワイトパール」と呼ばれる標準的な白色塗装を施した実験例2、符号83は、「銀メッキ」による銀色塗装を施した実験例3に対応する。実験例1,2,3の順に、紫外線波長から遠赤外線波長までの波長域における平均反射率が大きくなる。
ここで、「平均反射率」とは、指定された波長域における分光反射率(単色光に対する反射率)の平均値である。すなわち、指定された波長域において、波長の関数である分光反射率を測定し、指定された波長域にわたって測定された分光反射率を平均化して得られる値を「平均反射率」として定義している。
検証では、自動車1のフェンダー(車体1aの一例)の表面から表面に対して垂直方向に距離gだけ離れた位置であって、空気の流れに沿って、疑似太陽光が照射される部位の上流に熱電対31aを配置し、疑似太陽光が照射される部位の下流に熱電対31bを配置した。ここで、フェンダーの表面の境界層よりも外側の主流の中に熱電対31a、31bが配置されるよう、距離gは18mmに設定された。熱電対31aと熱電対31bとは、空気の流れに沿って200mmの間隔を空けて配置されており、熱電対31aと熱電対31bで挟まれる区間に対して、疑似太陽光を照射した。また、フェンダーに対する主流2の空気の速度は、風速40km/hとした。
なお、検証の正確さを期すため、熱電対31aと熱電対31bに対して、疑似太陽光が直接照射されることがないよう、注意を払った。熱電対31aによって測定される空気の温度は、フェンダーによって反射される疑似太陽光によって暖められる直前の空気の温度であり、熱電対31bによって測定される空気の温度は、フェンダーによって反射される疑似太陽光によって暖められた直後の空気の温度である。
図5に示すように、熱電対31aで測定した温度よりも熱電対31bで測定した温度の方が高いことが分かった。さらに、実験例1,2,3の順に、温度上昇ΔTが大きくなることが分かった。すなわち、自動車1の表面の塗装の平均反射率が大きいほど、温度上昇ΔTが大きくなることが分かった。
実際の自動車1の全長が4400mmであるとした場合、自動車1の全長にわたっての温度上昇は、図5に示される温度上昇ΔTの22倍となる。そのため、実際の自動車1であれば、実験例1,2,3の順に、約2K、約4K、約6.6Kの温度上昇が生じることになる。
以上のように、自動車1の表面に設けた反射制御層21によって光を反射することにより、実際に主流2の空気を加熱可能であることが分かった。
理想気体の状態方程式に当てはめた場合、6.6Kの温度上昇によって300Kの空気が306.6Kになったと仮定すると、約2%の密度低下をもたらす。これは、約2%の空気抵抗Fの低減に相当する。
<太陽光吸収物質の吸収波長域>
自動車1の表面における反射強度は、光の波長域により変化する。主流2の空気を加熱するためには、大気中に存在する太陽光を吸収する物質(太陽光吸収物質)が吸収する波長域の光の反射強度を高めることが望ましい。太陽光吸収物質は、主に、酸素(O、O)、水蒸気(HO)、炭酸ガス(CO)、希ガスである。これら太陽光吸収物質のうちで吸収波長が最も短い物質は酸素(O)であり、酸素(O)は、主に、波長が約0.75μm以上の光を吸収する。近赤外線の波長域のうち、0.75μm〜0.78μmの波長域は、大気中の酸素分子(O)の熱吸収帯(酸素Aバンド)である。これら太陽光吸収物質は、0.75μm〜100μmの波長域の光を吸収する。太陽光吸収物質は、雲や水蒸気からの赤外放射の範囲(3〜100μm)の光を吸収するため、波長上限値を、100μmとした。
そこで、反射制御層21は、太陽光吸収物質が吸収しない波長域(0.3μm〜0.75μm)の光を吸収する。そして、その吸収エネルギーを、太陽光吸収物質が吸収する波長域(0.75μm以上100μm以下)の光に変換して射出する。これにより、自動車1の表面における光の反射強度のうち、太陽光吸収物質が吸収する波長域の光の反射強度が高まるため、主流2の空気を加熱することができる。
<反射制御層21の構成>
自動車の表面において波長が0.75μm以上100μm以下である光の反射率を向上させるため、自動車1は、図1に示すように、車体塗装層20の上に形成された反射制御層21を有する。反射制御層21は、入射する太陽光のうち、0.3μm〜0.75μmの波長域の光を吸収し、0.75μm〜100μmの波長域の光を放出する。その具体的な態様について次に説明する。
図1に示すように、反射制御層21は、波長制御物質22を有する。本実施形態における波長制御物質22は、太陽光に対する透明度が高いクリア層の中に含浸された複数の粒体である。例えば、波長制御物質22は蛍光物質からなる。「蛍光」とは、狭義の蛍光を意味し、入射する光のエネルギーを吸収することで外殻電子が励起された励起状態(始状態)となり、それが基底状態(終状態)に遷移する際に電磁波(光)を放出する発光現象である。始状態と終状態のスピン多重度が同一となるため、発光寿命が短い発光現象である。
或いは、波長制御物質22は、燐光物質(蓄光物資を含む)であってもよい。「燐光(蓄光を含む)」とは、蛍光と同様な発光現象であるが、始状態と終状態のスピン多重度が異なる禁制遷移を利用するため、蛍光に比べて発光寿命が長い発光現象である。
図2A及び図2Bに示すように、波長制御物質22は、入射する太陽光のうち0.3μm〜0.75μmの波長域の光11を吸収し、0.75μm〜100μmの波長域の光12を放出する。0.3μm〜0.75μmの波長域の光を吸収し、0.75μm〜100μmの波長域の光を放出する蛍光物質および燐光(蓄光)物質の例は、表1及び表2に示す通りである。
Figure 0006849073
Figure 0006849073
<反射制御層21の厚み>
本実施形態では、太陽光吸収物質が吸収する波長域の光の反射率を向上させるため、自動車1の表面に設ける反射制御層21の厚みを調整している。その態様について次に説明する。
[薄膜での干渉を伴う反射]
図8は、異なる屈折率の物質によって挟まれた薄膜における光の屈折の様子を示す図である。
図8では、屈折率nの媒質M2の上に、厚みd、屈折率nの薄膜Iが形成され、さらに薄膜Iの上には屈折率nの媒質M1が存在する状況が示されている。そして、媒質M1の側から薄膜Iに向かって波長λの光が、入射角θで入射しているとする。このような状況を考察することは、自動車1の表面に積層された車体塗装層20、反射制御層21、空気の間で生じる光の干渉の様子を検討する良いモデルとなる。
媒質M1と薄膜Iの間の境界で反射した光と、薄膜Iと媒質M2の間の境界で反射した光の間に生じる光路差L(光学的距離の差)は、次の数式2で表される。
Figure 0006849073
次に、媒質M1の側から薄膜Iに入射した光が、薄膜Iで多重反射した後、再び媒質M1に反射して戻ってくる場合の強度反射率Rを計算する。
媒質M1から薄膜Iへと光が進むときの境界での振幅反射率をrとおき、薄膜Iから媒質M2へと光が進むときの境界での振幅反射率をrとおく。また、媒質M1の側から薄膜Iに入射した光の振幅をA,薄膜Iから反射して戻ってくる光の振幅をAとおくと、次の数式3の関係が成り立つことが知られている。ただし、垂直入射の場合(入射角θが0度である場合)を仮定している。
Figure 0006849073
ここで、パラメータδは次の数式4で表される。
Figure 0006849073
したがって、強度反射率Rは、次の数式5で表される。
Figure 0006849073
なお、振幅反射率r及び振幅反射率rは、次の数式6、数式7のように表される。
Figure 0006849073
Figure 0006849073
数式5からr及びrを消去するため、数式6及び数式7を数式5に代入して、整頓すると、強度反射率Rは、次の数式8で表される。
Figure 0006849073
この強度反射率Rは、次の2条件が満たされれば0になる。第一の条件は、振幅条件と呼ばれ、振幅反射率rと振幅反射率rが等しくなることである。このとき、屈折率nは、屈折率nと屈折率nを用いて次の数式9のように表される。
Figure 0006849073
また、第二の条件は、位相条件と呼ばれ、数式10のように表される。なお、mは0以上の整数である。
Figure 0006849073
第一の条件は、媒質M1と薄膜Iの間の境界で反射した光と、薄膜Iと媒質M2の間の境界で反射した光の、振幅が一致する条件である。また、第二の条件は、媒質M1と薄膜Iの間の境界で反射した光と、薄膜Iと媒質M2の間の境界で反射した光の間の位相差が、入射する光の半波長の奇数倍であり、ちょうど波の山と谷で打ち消し合う条件である。
数式4及び数式10からパラメータδを消去して整頓すると、厚みdについての、次の数式11が得られる。
Figure 0006849073
図8に示す状況では、単色光が入射する場合を想定した。しかしながら、実際の反射制御層21などの薄膜の設計では、多波長の光が混在した光に対する薄膜の応答を検討する必要がある。上記で導出した強度反射率Rは、波長λの光に対する分光反射率とみなせるので、強度反射率Rの振る舞いを元に、平均反射率が大きくなる場合と小さくなる場合について検討する。
一般に波長λは、平均反射率を定義する際の所定の波長域にある任意の値を取りうる。そのため、数式8の右辺第2項の分母に登場する「cos(2δ)」の項は−1から1までの値を取りうる。
「cos(2δ)=1」を仮定すると、強度反射率Rは次の数式12のRのように表される。
Figure 0006849073
なお、Rは、図8において薄膜Iが存在せず、媒質M1と媒質M2が直接接している場合における媒質M1と媒質M2の間の境界での強度反射率に等しい。これは、「cos(2δ)=1」が、数式4との関係で、薄膜Iの厚みdが0の場合を含んでいることからも理解される。
一方、「cos(2δ)=−1」を仮定すると、強度反射率Rは次の数式13のRのように表される。
Figure 0006849073
強度反射率Rは、波長λに応じて上述のRからRまでの間を振動する関数である。
が屈折率nに依存しない定数であることに着目すると、薄膜Iを設けない場合と比較して、図8に示す状況における平均反射率を大きくするためには、「R<R」が満たされるようにすれば良い。
また、薄膜Iを設けない場合と比較して、図5に示す状況における平均反射率を小さくするためには、「R>R」が満たされるようにすれば良い。
これらの関係から薄膜Iの屈折率nについての条件が導出される。
平均反射率を大きくするための条件式「R<R」から、屈折率nについての条件を導出すると、「n>nかつn>n」又は「n<nかつn<n」となる。
平均反射率を小さくするための条件式「R>R」から、屈折率nについての条件を導出すると、「n<n<n」又は「n<n<n」となる。
特に、平均反射率を小さくするための条件の特別な場合として「R>R=0」とすると、数式9のように屈折率nが屈折率nと屈折率nの相乗平均に等しい場合が導かれる。
さらに、Rが平均反射率の値を特徴づけていると言えるため、薄膜Iの厚みdについての条件も導出される。
強度反射率RがRの値を取る場合には、「cos(2δ)=−1」であるため、数式11が導かれる。平均反射率を定義する波長域が「λmin≦λ≦λmax」であるとすると、数式11を用いることにより、厚みdが次の数式14で示される範囲となることが示される。
Figure 0006849073
一見すると、mは0以上の整数であるため、数式14は厚みdについての上限を定めるものではないように見える。しかしながら、mの値を必要以上に大きくとった場合、波長域「λmin≦λ≦λmax」の範囲で、強度反射率RがRとRの間で振動する回数が増大してしまう。そのため、平均反射率をRに近づけてしまい、薄膜Iによる効果を小さくしてしまう。よって、実際の反射制御層21などの薄膜の設計では、実用的な屈折率の範囲内で、数式14によって定められる厚みdの範囲に実用的な薄膜Iの厚みが含まれるよう、mの値を選択する。実用的な屈折率の範囲内で許容できるmの最大値を選択することにより、そのようなmの下で、数式14は厚みdの上限を与えている。
薄膜Iの素材として利用可能な物質としては、種々の物質が想定される。小さい屈折率を有する素材としては、銀(563nmにおける屈折率が0.12)が挙げられる。また、大きい屈折率を有する素材としては、ゲルマニウム(590nmにおける屈折率が5.75)が挙げられる。
上述の検討では屈折率は波長に依存しないものとし、さらに、垂直入射の場合を想定した。しかしながら、屈折率が波長に依存する場合や、垂直入射でない場合についても、定性的に上記検討結果を適用することができる。
[反射制御層に求められる条件]
主流2を加熱するためには、太陽光吸収物質が吸収する波長域(0.75μm〜100μm)の光の反射強度を高めたい。0.75μm〜100μmの波長域の光は、波長制御物質22が0.3μm〜0.75μmの波長域の光を吸収することによって生成される。よって、波長制御物質22が吸収する0.3μm〜0.75μmの波長域の光の強度を高めることが望ましい。すなわち、反射制御層21における0.3μm〜0.75μmの波長域の光の平均反射率を低くすることにより、波長制御物質22が0.3μm〜0.75μmの波長域の光をより効率よく吸収することができる。
本実施形態では、自動車1の表面に入射する0.3μm〜0.75μmの波長域にある光を吸収するため、0.3μm〜0.75μmの波長域にある光に対する反射制御層21の平均反射率が低くなるように反射制御層21を形成している。以下では、反射制御層21が、0.3μm〜0.75μmの波長域にある光を反射しないための条件を検討する。
本実施形態では、図8に示す薄膜I、媒質M1、媒質M2に対して、反射制御層21、空気、反射制御層21の下にある車体塗装層20(車体側物質)が、それぞれ対応している。
反射制御層21を設けない場合と比較して、0.3μm〜0.75μmの波長域における反射制御層21の平均反射率を小さくするためには、条件式「R>R」が満たされればよい。そのため、先の検討に基づき、0.3μm〜0.75μmの波長域において、車体塗装層20の屈折率より小さく空気の屈折率より大きい屈折率を有する素材で反射制御層21は形成されていればよい。もしくは、0.3μm〜0.75μmの波長域において、空気の屈折率より小さく車体塗装層20の屈折率より大きい屈折率を有する素材で、反射制御層21は形成されていればよい。
すなわち、反射制御層21の屈折率は、0.3μm〜0.75μmの波長域において、車体塗装層20の屈折率と空気の屈折率で挟まれる範囲の内の値を有している。
或いは、数式9のように反射制御層21の屈折率(n)が空気の屈折率(n)と車体塗装層20の屈折率(n)の相乗平均に等しくてもよい。
なお、反射制御層21を自動車1の表面に形成する場合には、製造の容易さや品質確保の観点から、反射制御層21の厚みの範囲は「20μm〜40μm」程度であることが望ましい。
数式14において「λmin=0.3μm」、「λmax=0.75μm」とし、実用的な屈折率nの範囲(0.12≦n≦5.75)で、数式14が厚みの範囲「20μm〜40μm」を含むような最大のmを求めると、m=613となる。
よって、反射制御層21の厚みは、75nmを反射制御層21の屈折率nで除した値以上であって、230100nmを反射制御層21の屈折率nで除した値以下であることが望ましい。
なお、「230100nm」という数値は、本来であれば「750nm×(613×2+1)/4=230062.5nm」であるべきだが、屈折率のデータの有効数字が4桁であることから、十の位で切り上げを行っている。
[反射制御層21を設けたことによる効果]
大気中に含まれる太陽光を吸収する物質の吸収帯域は波長0.75μm以上である。自動車1の表面に形成された反射制御層21は、入射する太陽光のうち波長が0.3μm〜0.75μm未満の光を吸収し、波長が0.75μm〜100μmの光を放出するという特性を有する。波長が0.75μm〜100μmの光が反射光として自動車1の表面から放出される。よって、反射制御層21を設けない場合と比較して、自動車1の表面での太陽光の反射強度のうち、大気中の太陽光を吸収する物質(太陽光吸収物質)の吸収帯域の光の反射強度を高めることができる。よって、自動車1の表面から大気への熱放射(輻射ともいう)が強まり、自動車1の表面に接していない主流2の温度を上昇させることができる。主流2の温度上昇により、主流2の空気の密度が低下するので、自動車1の空気抵抗を低減させることができる。
熱伝導ではなく、自動車1の表面から熱放射によって、自動車1の周囲の主流2の空気を温めることにより、自動車1の表面近傍の境界層41の温度上昇を抑制しつつ、自動車1の周囲の主流2の温度を上昇させることができる。境界層41の温度上昇を抑制することにより、境界層41の空気の粘性抵抗の上昇を抑制することができるので、自動車1の空気抵抗を低減させることができる。
本実施形態では、図1に示すように、反射制御層21は、入射する太陽光のうち0.3μm〜0.75μmの波長域の光を吸収し、0.75μm〜100μmの波長域の光を放出する波長制御物質22を有する。波長制御物質22は、反射制御層21とその下地層(車体塗装層20)の境界で反射する0.3μm〜0.75μmの波長域の光を、励起光として吸収することができる。よって、太陽光吸収物質の吸収帯域の光の反射強度を高めることができる。
波長制御物質22は蛍光物質である。蛍光によって、0.3μm〜0.75μmの波長域の光を、0.75μm〜100μmの波長域の光に変換することができる。
波長制御物質22は燐光物質であってもよい。燐光によって、0.3μm〜0.75μmの波長域の光を、0.75μm〜100μmの波長域の光に変換することができる。
0.3μm〜0.75μmの波長域において、反射制御層21の厚みは、75nmを反射制御層21の屈折率で除した値以上、かつ、230100nmを反射制御層21の屈折率で除した値以下である。また、反射制御層21の屈折率をnとし、反射制御層21の下にある車体側物質の屈折率をnとし、空気の屈折率をnとした場合、0.3μm〜0.75μmの波長域において、nは、数式9を満たす。これにより、0.3μm〜0.75μmの波長域の光の平均反射強度が低減され、より多くの光を励起光として利用することができる。よって、太陽光吸収物質の吸収帯域の光の反射強度を高めることができる。
反射制御層21の屈折率は、0.34〜2.40である。これにより、0.3μm〜0.75μmの波長域の光の平均反射強度が低減され、より多くの光を励起光として利用することができる。よって、太陽光吸収物質の吸収帯域の光の反射強度を高めることができる。
(第2実施形態)
図3に示すように、自動車1の車体1aの表面には車体塗装層20が形成され、さらに車体塗装層20の上に波長制御層23が形成されている。波長制御層23の上に反射防止層24が形成されている。第2実施形態に係る反射制御層21は、反射防止層24及び波長制御層23を備える点で、第1実施形態と異なる。第2実施形態において説明しない他の構成、作用及び効果は、第1実施形態と実質的に同様であるので重複する説明を省略する。
反射制御層21は、反射防止層24と、反射防止層24と車体塗装層20の表面との間に形成された波長制御層23とを備える。反射制御層21は、波長制御層23及び反射防止層24の多層構造を有する。
波長制御層23は、第1実施形態の波長制御物質22と同様に、入射する太陽光のうち0.3μm〜0.75μmの波長域の光11を吸収し、0.75μm〜100μmの波長域の光12を放出する。第1実施形態の波長制御物質22は粒体であったが、波長制御層23は、膜構造を有する。
[反射防止層に求められる条件]
以下では、反射防止層24が、0.3μm〜0.75μmの波長域での光の反射を防止するための条件を検討する。
本実施形態では、図8に示す薄膜I、媒質M1、媒質M2に対して、反射防止層24、空気、波長制御層23が、それぞれ対応している。
反射防止層24を設けない場合と比較して、0.3μm〜0.75μmの波長域における反射防止層24の平均反射率を小さくするためには、条件式「R>R」が満たされればよい。そのため、先の検討に基づき、0.3μm〜0.75μmの波長域において、波長制御層23の屈折率と空気の屈折率で挟まれる範囲の屈折率を有する素材で、反射防止層24が形成されていればよい。
より反射防止層24の平均反射率を小さくするためには、条件式「R>R=0」が満たされればよく、反射防止層24の屈折率が、波長制御層23の屈折率と空気の屈折率の相乗平均に等しくなっていればよい。
なお、反射防止層24を自動車1の表面に形成する場合には、製造の容易さや品質確保の観点から、反射防止層24の厚みの範囲は「20μm〜40μm」程度であることが望ましい。
数式14において「λmin=0.3μm」、「λmax=0.75μm」とし、実用的な屈折率nの範囲(0.12≦n≦5.75)で、数式14が厚みの範囲「20μm〜40μm」を含むような最大のmを求めると、m=613となる。
よって、反射防止層24の厚みは、75nmを反射防止層24の屈折率nで除した値以上であって、230100nmを反射防止層24の屈折率nで除した値以下であることが望ましい。
なお、反射防止層24が実用的な屈折率nの範囲(0.12≦n≦5.75)にあること、及び空気の屈折率が1程度であることを考慮すると、反射防止層24の屈折率は、0.3μm〜0.75μmの波長域において、0.34以上、かつ、2.40以下であることが望ましい。
また、反射防止層24が波長制御層23の働きを阻害することを防ぐため、反射防止層24が0.75μm〜100μmの波長域の光の反射を防止する効果は小さい方がよい。そのためには、0.75μm〜100μmの波長域において、波長制御層23の屈折率および空気の屈折率の両方と等しいか、あるいは、両方より大きい屈折率を有する素材で反射防止層24は形成されていればよい。もしくは、0.75μm〜100μmの波長域において、波長制御層23の屈折率および空気の屈折率の両方と等しいか、あるいは、両方より小さい屈折率を有する素材で、反射防止層24は形成されていればよい。
[波長制御層23及び反射防止層24を設けたことによる効果]
本実施形態では、図3に示すように、反射制御層21は、入射する太陽光のうち0.3μm〜0.75μmの波長域の光を吸収し、0.75μm〜100μmの波長域の光を放出する波長制御層23を有する。波長制御層23は、反射防止層24を透過する0.3μm〜0.75μmの波長域の光を、励起光として吸収することができる。よって、反射防止層24は、0.3μm〜0.75μmの波長域の光の表面反射を低減する。太陽光吸収物質の吸収帯域の光の反射強度を高めることができる。
波長制御層23は蛍光物質を含む。蛍光によって、0.3μm〜0.75μmの波長域の光を、0.75μm〜100μmの波長域の光に変換することができる。
波長制御層23は燐光物質を含んでいてもよい。燐光によって、0.3μm〜0.75μmの波長域の光を、0.75μm〜100μmの波長域の光に変換することができる。
0.3μm〜0.75μmの波長域において、反射防止層24の厚みは、75nmを反射防止層24の屈折率で除した値以上、かつ、230100nmを反射防止層24の屈折率で除した値以下である。また、反射防止層24の屈折率をnとし、反射防止層24の表面側界面に接する下層(波長制御層23)の屈折率をnとし、空気の屈折率をnとした場合、0.3μm〜0.75μmの波長域において、nは、数式9を満たす。これにより、0.3μm〜0.75μmの波長域の光の平均反射強度が低減され、より多くの光を励起光として利用することができる。よって、太陽光吸収物質の吸収帯域の光の反射強度を高めることができる。
反射防止層24の屈折率は、0.34〜2.40である。これにより、0.3μm〜0.75μmの波長域の光の平均反射強度が低減され、より多くの光を励起光として利用することができる。よって、太陽光吸収物質の吸収帯域の光の反射強度を高めることができる。
なお、図4に示すように、第2実施形態に係る反射制御層21は、波長制御層23a、23b・・・及び反射防止層24a、24b・・・を繰り返し、複数積層してもよい。これにより、波長制御層23による波長制御効果、及び反射防止層24による反射防止効果が増加する。
上述の各実施形態では、移動体が自動車1である場合を挙げて説明したが、自動車1の他にも、空気中を運動する移動体に対して本発明は適用可能である。移動体の例としては、自動車の他に、二輪車、鉄道、航空機、ロケットなどが挙げられる。
以上、実施形態に沿って本発明の内容を説明したが、本発明はこれらの記載に限定されるものではなく、種々の変形及び改良が可能であることは、当業者には自明である。この開示の一部をなす論述および図面は本発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。
本発明はここでは記載していない様々な実施形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
1 自動車(移動体)
21 反射制御層
22 波長制御物質
23波長制御層
24反射防止層
反射制御層または反射防止層の下にある車体側物質の屈折率
n 反射制御層または反射防止層の屈折率
空気の屈折率

Claims (11)

  1. 移動体の表面に形成された反射制御層であって、入射する太陽光のうち0.3μm〜0.75μmの波長域の光を吸収し、0.75μm〜100μmの波長域の光を放出する前記反射制御層を有する移動体。
  2. 前記反射制御層は、入射する太陽光のうち0.3μm〜0.75μmの波長域の光を吸収し、0.75μm〜100μmの波長域の光を放出する波長制御物質を有する請求項1に記載の移動体。
  3. 前記反射制御層は、
    0.3μm〜0.75μmの波長域の光の表面反射を低減する反射防止層と、
    前記反射防止層と前記移動体の表面との間に形成され、入射する太陽光のうち0.3μm〜0.75μmの波長域の光を吸収し、0.75μm〜100μmの波長域の光を放出する波長制御層と、
    を有する請求項1又は2に記載の移動体。
  4. 前記波長制御物質は蛍光物質である請求項2に記載の移動体。
  5. 前記波長制御層は蛍光物質を含む請求項3に記載の移動体。
  6. 前記波長制御物質は燐光物質である請求項2に記載の移動体。
  7. 前記波長制御層は燐光物質を含む請求項3に記載の移動体。
  8. 0.3μm〜0.75μmの波長域において、前記反射制御層の厚みは、75nmを前記反射制御層の屈折率で除した値以上、かつ、230100nmを前記反射制御層の屈折率で除した値以下であり、
    前記反射制御層の屈折率をnとし、前記反射制御層の下にある車体側物質の屈折率をnとし、空気の屈折率をnとした場合、0.3μm〜0.75μmの波長域において、前記nは、次式を満たす
    n=(n×n1/2
    請求項2、4及び6のいずれか一項に記載の移動体。
  9. 0.3μm〜0.75μmの波長域において、前記反射防止層の厚みは、75nmを前記反射防止層の屈折率で除した値以上、かつ、230100nmを前記反射防止層の屈折率で除した値以下であり、
    前記反射防止層の屈折率をnとし、前記反射防止層の下にある車体側物質の屈折率をnとし、空気の屈折率をnとした場合、0.3μm〜0.75μmの波長域において、前記nは、次式を満たす
    n=(n×n1/2
    請求項3、5及び7のいずれか一項に記載の移動体。
  10. 前記反射制御層の屈折率は、0.34〜2.40である請求項8に記載の移動体。
  11. 前記反射防止層の屈折率は、0.34〜2.40である請求項9に記載の移動体。
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