JP7004597B2 - 放射冷却装置 - Google Patents
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Description
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赤外光を赤外放射層に向けて反射する作用も有することになるが、以下の説明においては、光反射層が、赤外放射層を透過した光(可視光、紫外光、赤外光)を反射するために設けられるものであるとして説明する。
ちなみに、引用文献1には、赤外線放射層を、SiO2の層とMgOの層とSi3N4の層とからなる多層構成とする場合において、各層の厚さについての説明が省略されている。また、赤外線放射層を、ガラス(光学ガラス)にて構成する場合において、ガラスの厚さを、0.1mm~10mmにすることが記載されている。
ちなみに、特許文献2には、MgOの層とSiOの層とを備える赤外放射層の形態として、膜厚1が200~1800nmのMgOの第1層、及び、膜厚が1400~1600nmのSiOの第2層を備える第1形態、膜厚が780~1080nmのMgOの第1層、膜厚が50~170nmのSiOの第2層、膜厚が1375~1775nmのMgOの第3層、及び、膜厚が1500~1700nmのSiOの第4層を備える第2形態、並びに、膜厚が560~1060nmのMgOの第1層、膜厚が50~150nmのSiOの第2層、膜厚が1600~2000nmのMgOの第3層、膜厚が700~900nmのSiOの第4層、及び、膜厚が540~620nmのa-Siの第5層を備える第3形態が記載されている。
つまり、本発明者は、石英ガラス、石英、白板ガラス等のSiO2からなる層を用いて赤外放射層を構成することにより、大きな冷却能力を発揮する放射冷却装置を研究開発してきたが、SiO2の層を用いて赤外放射層を構成する場合よりも大きな冷却能力を得ることが望まれている。
しかしながら、白板ガラスは、大気の窓(波長が8~14μmで大気の透過率が高い赤外波長帯域)を外れた大気からの熱輻射が大きい波長帯域における熱輻射も大きいものであるため、冷却能力を増大させる上での支障になる。
つまり、キルヒホッフの法則により、光の輻射率と光の吸収率は等しいものであるから、大気の窓(波長が8~14μmで大気の透過率が高い赤外波長帯域)を外れた大気からの熱輻射が大きい波長帯域において高い輻射率をもつということは、大気の熱輻射を吸収し、加熱されることになるため、冷却能力を増大させる上での支障になる。
前記赤外放射層が、厚さが0.015mm以上の酸化マグネシウムであり、
前記赤外放射層を基板として、前記光反射層が積層され、
前記光反射層が、銀あるいは銀合金であり、
前記赤外放射層と前記光反射層との間に、密着層が積層され、
前記密着層が、酸化アルミニウムからなり前記光反射層に密着する銀密着層と、酸化ハフニウムからなり前記銀密着層と前記赤外放射層との間の反応防止層とを備える点にある。
また、赤外放射層を基板として、光反射層が積層されているから、全体構成の簡素化を図り、しかも、全体構成の薄膜化を図ることができる。
ちなみに、赤外放射層を基板として、光反射層を積層する際に、光反射層を複数の層からなる層状に形成する場合には、例えば、スパッタリング等により、光反射層を形成する各層を順次積層することになる。
要するに、本発明の放射冷却装置の特徴構成によれば、全体構成の簡素化を図ることができる。
また、光反射層が、銀あるいは銀合金であるから、赤外放射層を透過した光を適切に反射することができる。
しかも、赤外放射層と光反射層との間に、酸化マグネシウムと銀あるいは銀合金とを密着させる密着層が積層されているから、赤外放射層と光反射層とを適切に積層できる。
要するに、本発明の放射冷却装置の特徴構成によれば、赤外放射層を透過した光を適切に反射することができ、しかも、赤外放射層と光反射層とを適切に積層できる。
〔放射冷却装置の構成〕
図1に示すように、放射冷却装置CPには、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とが積層状態に設けられている。
尚、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、赤外光IRおよび可視光が含まれる。
酸化マグネシウム(MgO)は、単結晶、多結晶、焼結体のいずれでもよく、さらには、酸化マグネシウム(MgO)の粉体が樹脂中に分散した塗料でもよい。
但し、本実施形態は、単結晶あるいは多結晶の酸化マグネシウム(MgO)を、後述の如く、光反射層Bを積層する基板として用いる形態であるとして説明する。
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、0.4~4.5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。
すなわち、酸化マグネシウム(MgO)の赤外放射層Aを基板として、光反射層Bである銀が、蒸着等により積層されている。
尚、キルヒホッフの法則により、吸収率と輻射率とは等しいものであるから、輻射率が高い波長域は、吸収率が高い波長域となる。
また、図3には、温度が30℃のときの大気の輻射強度を示す。
そして、厚さが0.015mm以上であれば、大気の窓での輻射率が高くなり、厚さが0.04mm以上であれば、大気の窓での輻射率が一層高くなり、厚さが0.1mm以上であれば、大気の窓での輻射率がさらに高くなり、厚さが0.5mm~1mmであれば、大気の窓で輻射率が十分に高く、しかも、8~14μmの範囲を外れた波長域の輻射率(吸収率)が十分に低いことが分かる。
上述の如く、光反射層Bは、銀あるいは銀合金にて構成できるが、図4~図10に示すように、光反射層Bは、その他の種々の構成のものを用いることができる。
すなわち、図4に示すように、光反射層Bとして、銀あるいは銀合金からなる第1層B1とアルミニウム(以下の記載において「アルミ」と略称)あるいはアルミニウム合金(以下の記載において「アルミ合金」と略称)からなる第2層B2とを、第1層B1を赤外放射層Aに近い側に位置させる形態で積層した状態に構成してもよい。
また、第2層B2の厚さ(膜厚)を、10nm以上にする。
透明窒化膜Bnは、Si3N4、AlNを用いて構成ができる。
透明酸化膜Bsは、蒸着やスパッタリング等で製膜しやすいAl2O3、SiO2、TiO2、ZrO2、HfO2、Nb2O5、Ta2O5や、その他の酸化物を用いることができる。
紫外線反射多層膜Buは、例えば、図11に示すように、SiO2の層とNb2O5の層と交互に2段ずつ積層した構成を用いることができる。
同様に、図9に示すように、第1層B1と第2層B2との間に透明窒化膜Bnを設ける図5に示す構成において、その前面側に紫外線反射多層膜Buを設ける形態に構成してもよく、また、図10に示すように、第1層B1と第2層B2との間に透明酸化膜Bsを設ける図6に示す構成において、その前面側に紫外線反射多層膜Buを設ける形態に構成してもよい。
図12に示すように、赤外放射層Aを厚さが1mmの酸化マグネシウム(MgO)とし、且つ、光反射層Bを厚さが300nmの銀とした本発明の放射冷装置CPと、図13に示すように、赤外放射層Aを厚さが1mmのテンパックス(登録商標、以下同じ)とし、且つ、光反射層Bを厚さが300nmの銀とした従来の放射冷装置CPとについて、その冷却能力を比較した。
その理由は、図2に示す如く、本発明の放射冷却装置CPが、波長が8~14μmの大気の窓で大きな熱輻射を示し、且つ、大気の窓を外れた大気からの輻射率の高い波長帯域の光を吸収せずよく反射するのに対して、図14に示すように、従来の放射冷却装置CPが、波長が8~14μmの大気の窓で大きな熱輻射を示すものの、大気の窓を外れた大気からの輻射率の高い波長帯域において光を吸収することによる。
また、Prad(T)、Psun、及び、Pair(Tair)の夫々を、下記式(数2)、式(数3)、式(数4)の通り定義する。
尚、太陽光のエネルギーと波長との関係を図16に示す。
次に、放射冷却装置CPの放射冷却性能を、実使用環境(風の影響等)を考慮しながら考察するが、先ず、その計算方法について説明する。
放射冷却性能は、仮定する条件での平衡温度によって規定することにする。
図17を参照しながら、放射冷却性能の計算にあたり、固定した条件と変化させた条件とについて説明すると、固定した条件は、太陽光スペクトル、大気の透過率スペクトルである。太陽光スペクトルは、真夏の南中時を想定してAM1.5規格の値を用いた。AM1.5の条件において太陽光強度は1000W/m2となる。また、大気の透過率スペクトルは、真夏の大阪の平均値を用いた。
放射冷却装置CP(放射冷却材料)は無限遠に続いていると仮定し、放射冷却装置CP(放射冷却材料)の影となっている部分の冷却対象Dは、放射冷却装置CP(放射冷却材料)と同一温度となっているものとする。
つまり、上記条件にて、放射冷却装置CP(放射冷却材料)の光反射層Bを、厚さが300nmの銀とする場合において、酸化マグネシウム(MgO)にて構成される赤外放射層Aの厚さ(厚み)を、0.001~10mmに変化させて求めた平衡温度を、図18の表に示す。
また、酸化マグネシウム(MgO)の厚さが、0.015mmよりも厚ければ、いかなる厚さでも放射冷却能力はなくならないため、計算では、酸化マグネシウム(MgO)の厚さを10mmまでとしている。
ただし、厚さが0.01~0.02mmの石英は、蒸着、スパッタ、研磨のいずれの方法を用いても最も作製に手間のかかる膜厚であり、また、壊れやすい膜厚であるので、実用上あまり現実的でない厚みである。
尚、計算方法は、図18の表に示す結果を求めた計算方法と同様に、式(数5)に基づいて求める。
また、本発明の放射冷却装置CP(放射冷却材料)の平衡温度として、光反射層Bを、厚さが300nmの銀とし、酸化マグネシウム(MgO)にて構成される赤外放射層Aの厚さ(厚み)を、1mmとする場合の平衡温度を記載する。
ここで、風が強い「軽風(4-6m/s)」(熱伝達係数:15W/m2K)場合について考える。風が強い場合、熱伝達係数が大きくなるので、放射冷却装置CP(放射冷却材料)の温度が外気温に近くなり、放射冷却装置CP(放射冷却材料)を構成する材質の違いが冷却性能の違いにあまり影響しなくなる。
無風状態に対応する「平穏風(0-1m/s)」(熱伝達係数:5W/m2K)のときに、酸化マグネシウム(MgO)を用いた本発明の放射冷却装置CP(放射冷却材料)の平衡温度は、外気温度が50℃でも体温程度(36.8℃)に下がるものであり、SiO2を用いた従来の放射冷却装置CP(放射冷却材料)の平衡温度よりも圧倒的に温度が下がるので、実用価値が高いものである。
次に、酸化マグネシウム(MgO)を用いた放射冷却装置CP(放射冷却材料)を実際に作成し、作成した放射冷却装置CP(放射冷却材料)について実際に計測した実験結果と、実際に作成した放射冷却装置CP(放射冷却材料)の光学特性を計算により求めた計算結果とを対比して、上記考察における計算手法が間違いないことを確認する。
密着層Eは、Al2O3の30nmの層である銀密着層E1と、HfO2の30nmの層である反応防止層E2とからなり、銀密着層E1は銀(Ag)と密着する層であり、反応防止層E2は、Al2O3とMgOとの反応を防止する層である。
図23に示す通り、第2試験体について計測した吸収率の実験結果と、第2試験体について計算した吸収率の計算結果とは、略同じである。
尚、大気の熱輻射の吸収を抑制する観点から、15μmよりも長波長側の吸収率は小さい方が良いが、計算結果よりも実験結果の方が理想的な結果になっていることがわかる。
したがって、吸収率と輻射率は等しいので、図2に示す計算結果が間違いないことが確認できた。また、図14、図15、図18~図20に示す計算結果も同様に間違いないことが確認できた。
以下、別実施形態を列記する。
B 光反射層
E 密着層
H 放射面
Claims (4)
- 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が積層状態で設けられた放射冷却装置であって、
前記赤外放射層が、厚さが0.015mm以上の酸化マグネシウムであり、
前記赤外放射層を基板として、前記光反射層が積層され、
前記光反射層が、銀あるいは銀合金であり、
前記赤外放射層と前記光反射層との間に、密着層が積層され、
前記密着層が、酸化アルミニウムからなり前記光反射層に密着する銀密着層と、酸化ハフニウムからなり前記銀密着層と前記赤外放射層との間の反応防止層とを備える放射冷却装置。 - 前記赤外放射層の厚さが0.04mm以上である請求項1に記載の放射冷却装置。
- 前記赤外放射層の厚さが0.1mm以上である請求項1又は2に記載の放射冷却装置。
- 前記赤外放射層の厚さが0.5mm~1mmである請求項1~3のいずれか1項に記載の放射冷却装置。
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