JP6861614B2 - 放射冷却装置および放射冷却方法 - Google Patents
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Description
そのため、従来の放射冷却装置では、十分な冷却性能が得られない場合があり、改善が望まれる。
制した放射冷却装置および放射冷却方法を提供することにある。
紫外光を反射する紫外反射層と、可視光及び赤外光を反射する光反射層と、赤外光を放射する赤外放射層とを備え、放射面から赤外光を放射する放射冷却装置において、
前記放射面の側から見て、前記紫外反射層、前記赤外放射層、および前記光反射層の順に積層して成り、
前記紫外反射層が、大気の窓に相当する10000nm付近の波長域において吸収率が高い点にある。
なお、本明細書の記載において、単に光と称する場合、当該光の概念には赤外光、可視光、紫外光を含む。これらを電磁波としての光の波長で述べると、その波長が10nmから20000nmの電磁波を含む。
このように、上記構成によれば、放射冷却装置へ照射される光を反射し、また、放射冷却装置への伝熱(例えば、大気からの伝熱や、放射冷却装置が冷却する冷却対象物からの伝熱)を赤外光として系外へ放射することができる。
すなわち、紫外光の吸収を抑制した放射冷却装置を提供することができる。
前記紫外反射層は、二種以上の誘電体を積層して成り、
前記誘電体は、二酸化ケイ素、酸化アルミニウム、窒化ケイ素、二酸化ジルコニウム、
二酸化チタン、酸化マグネシウム、酸化ハフニウム、窒化アルミニウム、酸化亜鉛、五酸化ニオブのいずれかから選択される点にある。
さらに、先述の通り屈折率の異なる二種以上の誘電体を積層すると、紫外反射層での紫外光の反射率が向上するため好ましい。紫外反射層を形成するそれぞれの誘電体の境界からの反射光の干渉を利用することで紫外反射層全体の反射率が向上するためである。
したがって、上記構成によれば、紫外光の吸収を抑制した放射冷却装置を提供することができる。
前記誘電体の層厚が、200nm未満である点にある。
紫外線は一般的に10から400nmと定義されることが多く、太陽光スペクトルは300nmよりも短波長側の光が殆ど含まれない。つまり、屈折率が当該波長域で1程度の誘電体を用いる場合は75から100nm程度あるいは150から200nm、屈折率が当該波長域で3程度の誘電体を用いる場合は25から33nm程度あるいは50から66nmとなる。
前記放射面となる前記紫外反射層の前記誘電体は、二酸化ケイ素、酸化アルミニウム、窒化ケイ素、二酸化ジルコニウム、二酸化チタン、五酸化ニオブのいずれかから選択される点にある。
前記赤外放射層は、二酸化ケイ素で成る点にある。
光を透過し、8000nmから20000nmの赤外線の放射を生じる好ましい材料(物質)としては、二酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、二酸化ハフニウムがある。特に、二酸化ケイ素は、波長10000nm付近に大きな吸収ピークを有しており、波長8000nmから20000nmの間である波長10000nmの赤外線を効率よく放射する。そのため、赤外放射層に用いる材料(物質)としては、二酸化ケイ素を用いることが好ましい。
すなわち、上記構成によれば、光を受けて発熱することを回避し、また、放射冷却装置の熱を効率よく赤外線として放射して、冷却性能を向上させることができる。
前記赤外放射層の厚みが1μmを超える厚みである点にある。
なお、光反射層の厚みは、1μmを超える厚みであればよく、経済的側面を考慮して10000μm以下に形成される。通常は20μmから10000μmの厚みに形成すると、経済的側面と、制作上ないし作製上の技術的側面の点でバランスが良い。
前記光反射層が、銀またはアルミニウムで成る点にある。
前記光反射層の厚みが80nmを超える厚みである点にある。
なお、光反射層の厚みは、80nmを超える厚みであればよく、経済的側面を考慮して1000nm以下に形成される。通常は200nm前後の厚みに形成すると、経済面と、対候性および耐久性の点でバランスが良い。
紫外光を反射し且つ大気の窓に相当する10000nm付近の波長域において吸収率が高い紫外反射層と、可視光及び赤外光を反射する光反射層と、赤外光を放射する赤外放射層とを、前記紫外反射層、前記赤外放射層、および前記光反射層の順に積層して成る放射冷却装置を用いて、前記赤外光を前記紫外反射層の前記赤外放射層と接する面とは反対側の放射面から放射する点にある。
前記放射面を空に向け、当該空に向けた放射面から放射する点にある。
図面に基づいて、本発明の実施形態に係る放射冷却装置100および放射冷却方法について説明する。
図1に示す放射冷却装置100は、冷却効果を得るための冷却装置である。たとえば、放射冷却装置100は、冷却対象物(図示せず)を冷却する。
なお、本実施形態において光とは、その波長が10nmから20000nmの電磁波のことを言う。つまり、光Lには、紫外光UV、赤外光IRおよび可視光VLが含まれる。
そして、放射冷却装置100は、放射面40の側から見て、紫外反射層10、赤外放射層30、および光反射層20の順に積層されて成る。
なお、放射面40とは、本実施形態においては、紫外反射層10における、赤外放射層30と接する面とは反対側の面である。
紫外反射層10は、一方の面が、赤外放射層30と密接している。
また、図2には、誘電体の厚み(層厚)が200nm未満である具体例として、誘電体層11から誘電体層15の厚みがそれぞれ順に、30nm、50nm、50nm、40nm、40nmである場合を例示して図示している。
尚、図7及び図8に、図2で示す紫外反射層10の反射率、透過率、吸収率を示す。紫外反射層10は、大気の窓に相当する10000nm付近の波長域において吸収率が高く、10000nm付近の波長域の赤外光を放射することになる。
赤外放射層30は、一方の面が紫外反射層10と密接し、他方の面が光反射層20と密接している。
なお、本実施形態において「光を透過する」などの記載する場合は、その光の一部を吸収および反射し、大部分を透過する場合を含む。たとえば、入射した光のエネルギーの90%以上を透過する場合は、単に「光を透過する」などと記載する。
本実施形態では、光反射層20は、金属としての銀またはアルミニウムのいずれかで形成する。本実施形態では、光反射層20は、銀である場合を説明している。
光反射層20が、80nm以下の膜厚となると、波長2000nm以下の波長域において透過が生じはじめ、光の反射性能が発揮されなくなるためである。
なお、光反射層20の厚みが、80nmを超えると、光の透過は生じず、光の反射率は変化しない。すなわち、光反射層20の厚みに係る技術的な上限は存在しない。しかし、経済面では、光反射層20の厚みは、1mm以下で足りる。
なお、図1には、光反射層20が80nmを超える厚みである場合の具体例として、光反射層20が、厚み200nmの銀である場合を示している。
以下では、本実施形態における実施例を説明する。
以下で説明する実施例1、実施例2および実施例3はそれぞれ、図1に示す構造を備えた、本実施形態に係る放射冷却装置100の一つの態様である。この放射冷却装置100は、上述のとおり、放射面40の側から見て、紫外反射層10、赤外放射層30、および光反射層20の順に積層されている。
実施例1、実施例2、実施例3、比較例1および比較例2のいずれの場合も、放射冷却装置100または放射冷却装置200の放射面40を天上(空、宇宙)に向けて、放射面40を鉛直方向上向きに設置する。
実施例1、実施例2、実施例3、比較例1および比較例2のいずれの場合も、光として太陽光が、材料の鉛直方向からおよそ1000W/m2のエネルギーで入射する環境下に置く。太陽光は、主として放射面40から、放射冷却装置100または放射冷却装置200に対して入射する。
表1には、実施例1の場合の冷却性能を示す。
表2には、実施例2の場合の冷却性能を示す。
表3には、実施例3の場合の冷却性能を示す。
表4には、比較例1の場合の冷却性能を示す。
表5には、比較例2の場合の冷却性能を示す。
なお、表1から表5に示す項目はそれぞれ同じである。
光反射層20は以下の構成で比較する。
実施例1、実施例2、実施例3、比較例1および比較例2の光反射層20はいずれも、厚み200nmの銀の層で成る。
以下では光反射層20についての説明を省略する。
実施例1、実施例2、実施例3、比較例1および比較例2の赤外放射層30を形成する材料(物質)はいずれも、二酸化ケイ素である。
実施例1、実施例2、実施例3、比較例1および比較例2のそれぞれの場合において、赤外放射層30の厚みが、1μm、10μm、20μm、100μm、1000μm、10000μm、100000μmである場合を比較する。なお、1μm、10μmの二酸化ケイ素の赤外放射層30はスパッタリングにより作製された膜状の層である。20μm、100μm、1000μm、10000μm、100000μmの二酸化ケイ素の赤外放射層30は溶融固化して形成した層である。
以下では赤外放射層30についての説明を省略する。
以下、実施例1、実施例2、実施例3、比較例1および比較例2の異なる構成部分を説明する。
実施例1の放射冷却装置100は、以下の構成で成る。
紫外反射層10は、図2に示すように、誘電体でなる層として、誘電体層11から誘電体層15を積層して備える。
誘電体層11から誘電体層15はそれぞれ順に、サファイア、二酸化ケイ素、サファイア、二酸化ケイ素、サファイアで成る。
また、誘電体層11から誘電体層15の厚みはそれぞれ順に、30nm、50nm、50nm、40nm、40nmである。
実施例2の放射冷却装置100は、以下の構成で成る。
実施例2は、実施例1と、紫外反射層10の積層構造が異なる。
紫外反射層10は、図5に示すように、誘電体でなる層として、誘電体層51から誘電体層66を備える。
誘電体層51から誘電体層66はそれぞれ順に、二酸化ケイ素、二酸化チタンを交互に16層積層したものである。
また、誘電体層51から誘電体層66の厚みはそれぞれ順に、100nm、33nm、65nm、13nm、80nm、37nm、23nm、46nm、180nm、106nm、172nm、88nm、172nm、104nm、175nm、103nmである。
実施例3は、実施例1や実施例2と、紫外反射層10の積層構造が異なる。
紫外反射層10は、図6に示すように、誘電体でなる層として、誘電体層71から誘電体層74を備える。
誘電体層71から誘電体層74はそれぞれ順に、二酸化ケイ素、五酸化ニオブを交互に4層積層したものである。
また、誘電体層71から誘電体層74の厚みはそれぞれ順に、111nm、25nm、56nm、29nmである。
比較例1の放射冷却装置200は、実施例1の場合と同じ積層構造の紫外反射層10を備える。
比較例1の放射冷却装置200は、実施例1の場合と、紫外反射層10が配置される位置が異なる。
比較例2の放射冷却装置200は、実施例2の場合と同じ積層構造の紫外反射層10を備える。
比較例2の放射冷却装置200は、実施例2の場合と、紫外反射層10が配置される位置が異なる。
t :赤外放射層30の厚み(μm)
P1:放射のエネルギーの密度(W/m2)
P2:太陽光からの入熱のエネルギーの密度(W/m2)
P3:雰囲気(大気)からの入熱のエネルギーの密度(W/m2)
P4:冷却能力のエネルギーの密度(W/m2)
T :放射冷却装置100または放射冷却装置200の平衡温度(℃)
なお、上述の「密度」は、放射面40の表面の面積に対するエネルギーの出入りの密度を意味する。
また、P2は、およそ1000W/m2のエネルギーで入射された太陽光のエネルギーのうち、放射冷却装置100または放射冷却装置200で反射されなかったエネルギーを意味する。
また、P4の値は、P1の値から、P2の値とP3の値との合計を差し引いた値である。
P1及びP3の値は、放射面40に対する放射角が60度であるとして計算した値である。
したがって、放射冷却装置200のように、放射面40の側から見て、赤外放射層30、紫外反射層10、および光反射層20の順に積層するよりも、放射冷却装置100のように、放射面40の側から見て、紫外反射層10、赤外放射層30、および光反射層20の順に積層する方が、冷却能力が高いと判断できる。
つまり、本実施形態にかかる放射冷却装置100と、従来の放射冷却装置200との冷却能力の差は、本実施形態にかかる放射冷却装置100の場合には、紫外光の吸収が抑制されたためであると考えられる。
ることができる。
(1)上記実施形態では、紫外反射層10の誘電体でなる層が5層の場合、または16層の場合を例示したが、紫外反射層10の誘電体でなる層はこれらの積層の層数に限られない。
紫外反射層10の誘電体でなる層は、異なる誘電体が1層以上、好ましくは2層以上であればよい。また、紫外反射層10の誘電体でなる層の層数は偶数でも奇数でもよい。
しかし、放射面40を有する誘電体でなる層が、窒化ケイ素や二酸化ジルコニウム、または二酸化チタンである場合もある。
しかし、紫外反射層10における誘電体でなる層を形成する材料(物質)が、窒化ケイ素、二酸化ジルコニウム、二酸化チタン、酸化マグネシウム、酸化ハフニウム、窒化アルミニウム、酸化亜鉛、五酸化ニオブである場合もある。また、紫外反射層10における誘電体でなるそれぞれの層を形成する材料(物質)の組み合わせも、上記実施形態における記載の範囲に限られない。
尚、図11に、テンパックスに関する波長と吸収率との関係、つまり、テンパックスの吸収率、テンパックスと光反射層20としての銀とを積層した場合の吸収率、実施例1の紫外線反射層とテンパックスと光反射層20としての銀とを本発明の形態で積層した場合の吸収率、実施例1の紫外線反射層とテンパックスとを積層した場合の吸収率、及び、テンパックスと実施例1の紫外線反射層と光反射層20としての銀とを従来の形態で積層した場合の吸収率、並びに、銀の吸収率の夫々を示す。
11 :誘電体層(誘電体、紫外反射層)
12 :誘電体層(誘電体、紫外反射層)
13 :誘電体層(誘電体、紫外反射層)
14 :誘電体層(誘電体、紫外反射層)
15 :誘電体層(誘電体、紫外反射層)
20 :光反射層(誘電体、紫外反射層)
30 :赤外放射層
40 :放射面
51 :誘電体層(誘電体、紫外反射層)
52 :誘電体層(誘電体、紫外反射層)
53 :誘電体層(誘電体、紫外反射層)
54 :誘電体層(誘電体、紫外反射層)
55 :誘電体層(誘電体、紫外反射層)
56 :誘電体層(誘電体、紫外反射層)
57 :誘電体層(誘電体、紫外反射層)
58 :誘電体層(誘電体、紫外反射層)
59 :誘電体層(誘電体、紫外反射層)
60 :誘電体層(誘電体、紫外反射層)
61 :誘電体層(誘電体、紫外反射層)
62 :誘電体層(誘電体、紫外反射層)
63 :誘電体層(誘電体、紫外反射層)
64 :誘電体層(誘電体、紫外反射層)
65 :誘電体層(誘電体、紫外反射層)
66 :誘電体層(誘電体、紫外反射層)
71 :誘電体層(誘電体、紫外反射層)
72 :誘電体層(誘電体、紫外反射層)
73 :誘電体層(誘電体、紫外反射層)
74 :誘電体層(誘電体、紫外反射層)
100 :放射冷却装置
200 :放射冷却装置
200nm:厚み
IR :赤外光
L :光
UV :紫外光
VL :可視光
Claims (10)
- 紫外光を反射する紫外反射層と、可視光及び赤外光を反射する光反射層と、赤外光を放射する赤外放射層とを備え、放射面から赤外光を放射する放射冷却装置において、
前記放射面の側から見て、前記紫外反射層、前記赤外放射層、および前記光反射層の順に積層して成り、
前記紫外反射層が、大気の窓に相当する10000nm付近の波長域において吸収率が高い放射冷却装置。 - 前記紫外反射層は、二種以上の誘電体を積層して成り、
前記誘電体は、二酸化ケイ素、酸化アルミニウム、窒化ケイ素、二酸化ジルコニウム、二酸化チタン、酸化マグネシウム、酸化ハフニウム、窒化アルミニウム、酸化亜鉛、五酸化ニオブのいずれかから選択される請求項1に記載の放射冷却装置。 - 前記誘電体の層厚が、200nm未満である請求項2に記載の放射冷却装置。
- 前記放射面となる前記紫外反射層の前記誘電体は、二酸化ケイ素、酸化アルミニウム、窒化ケイ素、二酸化ジルコニウム、二酸化チタン、五酸化ニオブのいずれかから選択される請求項2または3に記載の放射冷却装置。
- 前記赤外放射層は、二酸化ケイ素で成る請求項1から4の何れか一項に記載の放射冷却装置。
- 前記赤外放射層の厚みが1μmを超える厚みである請求項5に記載の放射冷却装置。
- 前記光反射層が、銀またはアルミニウムで成る請求項1から6の何れか一項に記載の放射冷却装置。
- 前記光反射層の厚みが80nmを超える厚みである請求項7に記載の放射冷却装置。
- 紫外光を反射し且つ大気の窓に相当する10000nm付近の波長域において吸収率が高い紫外反射層と、可視光及び赤外光を反射する光反射層と、赤外光を放射する赤外放射層とを、前記紫外反射層、前記赤外放射層、および前記光反射層の順に積層して成る放射冷却装置を用いて、赤外光を前記紫外反射層の前記赤外放射層と接する面とは反対側の放射面から放射する放射冷却方法。
- 前記放射面を空に向け、当該空に向けた放射面から放射する請求項9に記載の放射冷却方法。
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