JPH0262794B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は放射冷却器、特に熱の放射を利用して
被冷却体の冷却を行なう放射冷却器に関する。

従来から、蒸気の凝縮・膨張を利用したランキ
ンサイクル型の冷却器が巾広く用いられている。

しかし、このようなランキンサイクル型の冷却
器は装置を作動させるためにエネルギを必要と
し、このエネルギを変換する際多くの損失が発生
する。このため、エネルギの利用効率が悪く、冷
却費が高くなる欠点があつた。特に電力エネルギ
を使用する冷却器においては、石油事情の悪化に
伴ない冷却費は年々増加する傾向にある。また、
このようなランキンサイクル型の冷却器は、エネ
ルギの変換行程が多いため、装置全体が複雑かつ
大型になり設備費用が高価になる欠点があつた。

このため、エネルギ源が安くしかも簡単かつ安
価な構造で優れた冷却能力を有する冷却器の開発
が望まれていた。

そして、このような冷却器の提供を可能とする
理論が、オーストラリアのＡ・Ｋ・Headにより
提案された。この理論は、熱の移動の３態様、す
なわち放射・対流・伝導のうち放射による熱の移
動に着目して放射冷却を行うものである。

第１図にはこの理論に基づく冷却器が示されて
いる。この冷却器は、被冷却体が導入された一部
を除いて被冷却体を外部から断熱する箱状の断熱
容器１０と、この断熱容器１０の内部に開口部に
向けて設置された熱放射体１２とから形成され、
断熱容器１０の開口部には放射光を透過するカバ
ー１６が設けられ、熱放射体１２には図示しない
被冷却体が伝導接触されている。

そして、この冷却器は、冷却器内部の熱放射体
１２と冷却器外部との間でカバー１６を介して行
なわれる放射光の授受により熱放射体１２が放射
冷却され、この熱放射体１２に伝導接続された被
冷却体を冷却する。

ところで、冷却器の外部から熱放射体１２の放
射面１４に入射する外光には、太陽からの日射１
００および大気からの熱放射２００が有り、他
方、冷却器の内部から外部へ放出される放射光に
は放射面１４の温度に応じて放射される熱放射３
００がある。従つて、前述した放射冷却による被
冷却体の冷却を行なうためには、日射１００およ
び熱放射２００により冷却器の内部に入力される
熱量より放射面１４からの熱放射３００により冷
却器外部に放出される熱量の方が多くなることが
必要となる。

第２図には放射面１４で授受される各放射光１
００，２００，３００の放射スペクトルが示され
ている。ここにおいて、放射面１４から冷却器外
部に放出される熱放射３００の光エネルギは放射
面１４の温度により変化するが、冷却器を使用す
る室温範囲内での変化では常に約10μｍ付近の波
長でピークをもつとみなしてよい。他方、大気か
ら放射面１４に入射する熱放射２００の光エネル
ギは波長10μｍ付近の８〜13μｍの範囲の特定波
長域で大きく落ち込んでいる。このため、放射面
１４から冷却器外部に放出される熱放射３００の
熱量は冷却器外部から放射面１４に入射する熱放
射２００の熱量に比して大きい。

従つて、第１図に示す冷却器を日射１００の無
い夜間に使用すれば、放射面１４から冷却器外部
に放出される熱量が冷却器外部から放射面１４に
入射される熱量に比して大きくなるため、熱放射
体１２は放射冷却され、この熱放射体１２に伝導
接触された被冷却体も冷却される。

Ａ・Ｋ・Headの理論はこのような考えを更に
一歩進めたものであり、反射面１４で授受される
放射光１００，２００，３００を選択的に反射・
吸収して、昼夜にかかわりなく優れた冷却能力を
備えた放射冷却器を得ようとするものである。す
なわち、第１図のような冷却器に使用する放射面
に、８〜13μｍの特定波長域で放射率および吸収
率が高く、この特定波長域以外の波長域、すなわ
ち、8μｍ以下および13μｍ以上の波長範囲で反射
率の良い放射面（以後選択放射面と記す）を使用
することを内容とする。

このように冷却器の放射面１４に選択放射面を
使用すれば、太陽からの日射１００はすべて放射
面１４で反射され、昼間でも太陽からの日射１０
０が無い夜間の使用と同じ条件となる。従つて、
昼夜を問わず冷却器は充分に冷却されることとな
る。

また、第２図に示す放射スペクトルから明らか
な如く、日射１００のみを反射するだけであれば
放射面１４の選択性を4μｍ以下の波長範囲に限
定すれば充分である。にもかかわらずＡ・Ｋ・
Headの理論では放射面１４に８〜13μｍ以外の
波長範囲で反射率の高いことを要求するのは、冷
却器の冷却能力を高めるためである。

すなわち、大気から放射面１４に入射される熱
放射２００の熱量と放射面１４から冷却器外部に
放出される熱放射３００の熱量とを比較すると、
その全総量では放射面１４から放出される熱放射
３００の方が勝つているが、8μｍ以下の波長範
囲および13μｍ以上の波長範囲では大気からの熱
放射２００の方が部分的に勝つている。従つて、
放射面１４で授受される放射光２００，３００の
スペクトルを８〜13μｍに限定することにより、
放射面１４に出入りする総熱量の差を大きくして
冷却能力を高めることができる。

そして、このＡ・Ｋ・Headの理論に基づいた
放射冷却器として、Ａ・Ｗ・Harrisonまたは
Ｇ・Troiseにより提供された放射冷却器が知ら
れている。

第３図には、Ａ・Ｗ・Harrisonらにより提案
された放射冷却器が示されている。この放射冷却
器は、熱放射体１２の放射面１４に前述した選択
放射性をもたせるため、厚さ６mmのアルミニウム
板１４ａの金属面にTiO₂を35％含む白色のペイ
ントの塗膜１４ｂを被覆して放射面１４を形成し
ている。

しかし、このような放射面１４では前記Ａ・
Ｋ・Headの理論に示す特定波長域での選択性は
ほとんど期待できず、放射冷却器の冷却能力は極
めて低いものであつた。

また、Ｇ・Troiseらにより提案された放射冷
却器は、アルミニウム板の金属面に厚さ12.5μｍ
のTEDLAR（登録商標）の薄膜を被覆して熱放
射体１２の放射面１４を形成したものである。し
かし、この冷却器の放射面１４は特定波長域に対
しある程度の選択性を発揮するが、前記Ａ・Ｋ・
Headの理論で説明した選択性に比し充分な選択
性を発揮するものではない。従つて、Ｇ・
Troiseの提案の冷却器は冷却能力が低く、特に
放射面１４の可視光に対する反射率が低いため、
放射面１４に日射１００が入射される日中の冷却
能力が著しく低下する欠点があつた。

このように、従来より放射冷却が理論的に可能
であることは示唆されていたが、光エネルギの伝
達について所望の選択性を発揮する熱放射体の材
料、構成が知られていなかつた。従つて、放射冷
却を現実にすることはできなかつた。

このため、Ａ・Ｋ・Headの理論に基づき優れ
た冷却能力を有する冷却器の開発が望まれてい
た。

本発明はこのような従来の課題に鑑みなされた
ものであり、その目的は、放射光に対し充分な選
択性を有する特定の材料、構造からなる熱放射体
を備え、昼夜を問わず優れた冷却能力を発揮する
ことが可能な放射冷却器を提供することにある。

この目的を達成するため、本発明に係る放射冷
却器は、導入される被冷却体を収容する断熱容器
と、この断熱容器の一部に設けられた開口部と、
この開口部を閉塞する熱放射体と、を含み、前記
熱放射体は、光反射率が高く、熱伝導率の高い鏡
面金属板からなる伝導層と、この伝導層の容器外
部側に被覆形成され、外光に含まれる８〜13μｍ
の特定波長域において高い光エネルギの放射率及
び吸収率を有し、かつその他の波長域において高
エネルギの透過率を有する二弗化ビニリデンのポ
リマまたはエチレン四弗化エチレンコポリマから
なる選択放射層と、から形成され、前記熱放射体
は、前記特定波長域以外の領域において光エネル
ギの伝達を抑止し、前記特定波長域において光エ
ネルギの伝達を行うことによつて、断熱容器内に
収容した被冷却体の冷却を行うことを特徴とす
る。

次に本発明の好適な実施例を図面に基づき説明
する。

第４図には本発明の好適な実施例が示されてい
る。本発明の放射冷却器は、図示しない被冷却体
が導入され一部を除いてこの被冷却体を外部から
断熱する断熱容器２０と、この断熱容器２０内部
で被冷却体と伝導接触し断熱容器２０の露出部を
覆う熱放射体２２と、から形成されている。実施
例において、断熱容器２０は一面を開口する箱状
に形成され、熱放射体２２は板状に形成され、断
熱容器２０の内部で断熱容器２０の開口部を覆う
ように設けられている。

本発明の特徴的事項は、前記熱放射体２２に前
記Ａ・Ｋ・Headの理論で説明した特定波長域に
おける選択性、すなわち外光１００，２００に含
まれる光エネルギの低い８〜13μｍの特定波長範
囲で放射率が高く、外光１００，２００に含まれ
る光エネルギの高い8μｍ以下および13μｍ以上の
波長範囲で反射率の良い選択性を与えることにあ
る。そのため、本発明は、第５図に示すように、
被冷却体と伝導接触し熱伝導率および反射率の高
い金属からなる伝導層２２ａと、二弗化ビニリデ
ンのポリマまたはエチレン四弗化エチレンコポリ
マからなり前記伝導層２２ａに被覆される選択放
射層２２ｂと、から熱放射体２２を形成したこと
を特徴とする。これは、伝導層２２ａに形成する
金属の反射面は全ての波長範囲の光に対して高
く、また、選択放射層２２ｂを形成する前記有機
材料は、８〜13μｍの波長範囲の光に対し高い放
射率を示し、それ以外の波長範囲の光に対し高い
透過率を示すからである。従つて、この熱放射体
２２は、８〜13μｍの特定波長域の光を選択放射
層２２ｂで吸収し、これ以外の波長範囲の光を熱
伝導層２２ａの金属面で全反射してしまうため、
８〜13μｍの特定波長域で高い放射率を示し、こ
れ以外の波長域、すなわち8μｍ以下および13μｍ
以上の波長範囲の光に対して高い反射率を示すこ
とになる。

なお、本実施例においては、熱伝導層２２ａを
厚さ0.8mm、縦１ｍ、横0.5ｍの鏡面アルミニウム
板を用いて形成し、選択放射層２２ｂをエチレン
四弗化エチレンコポリマを延伸加工した厚さ25μ
ｍのアフレツクスフイルム（登録商標）を用いて
形成している。

このアフレツクスフイルムのアルミニウム板上
への被覆は静電力を利用して行なわれる。

第６図にはアルミニウム板およびアフレツクス
フイルムを用いて形成された本実施例の熱放射体
２２の分光反射率の特性が示されており、前記
Ａ・Ｋ・Headの理論で説明した特定波長域にお
ける選択性が優れていることが理解される。

また、本実施例の冷却器は、断熱容器２０によ
る断熱効果を充分なものにするため、断熱容器２
０を厚さ０mmの発泡スチロールで形成し、その内
面に容器２０から熱放射体２２への輻射熱の伝達
を防止する厚さ0.1mmのアルミ箔２４を塗付して
いる。

そしてまた、冷却器の開口部には、外気を遮蔽
し冷却効果を良くするため、カバー押え２６によ
りカバー２８が取付けられている。このカバー２
８はすべての波長域の光に対して透明であるよう
厚さ20μｍのポリエチレンフイルムで形成されて
いる。

本発明は以上の構成からなり次にその作用を説
明する。

本発明の放射冷却器を実際に使用した場合、冷
却器の内部と外部との間における熱の移動は、第
７図に示す如く、放射による熱の移動の他に、断
熱容器２０を介して熱伝導および空気の対流によ
る熱の移動が考えられる。ところが、実施例にお
いては、断熱容器２０が優れた断熱性を有すると
ともにその内面に熱放射体２２からの輻射熱の伝
達を防止するアルミニウム箔２４が塗付されてい
るため、断熱容器２０を介しての熱伝導はほとん
ど無視できる値となる。また、カバー２８により
冷却器内部は外気と遮蔽されていることとあいま
つて、熱放射体２２の表面温度が外気温度より低
い場合には空気の対流による熱の移動も無視でき
る値となる。

従つて、本発明の放射冷却器を屋外に設置した
場合、熱放射体２２においては前述したＡ・Ｋ・
Headの理論に基づく放射光の授受が行なわれ、
昼夜を問わず優れた冷却能力が発揮される。

すなわち、本発明の放射冷却器はその熱放射体
２２が第６図に示す如き分光反射率特性を示し、
8μｍ以下および133μｍ以上の波長範囲で100％に
近い反射率、８〜13μｍの波長範囲で高い放射率
を有する。

このため、冷却器の外部からカバー２８を介し
て熱放射体２２に向けて入射される太陽からの日
射１００は、その波長が4μｍ以下であるため、
その大部分が熱放射体２２で反射されてしまう。
従つて、太陽からの日射１００による冷却器内部
への熱の移動は無視される。

また、冷却器の外部からカバー２８を介して熱
放射体２２に入射される大気からの熱放射２００
も、その大部分が熱放射体２２で反射されてしま
い、光エネルギの小さい８〜13μｍの波長範囲の
熱放射のみが熱放射体２２で吸収される。

また、冷却器の熱放射体２２からは熱放射体２
２の表面温度に応じた熱放射３００が有り、カバ
ー２８を介して冷却器の外部に射出される。ここ
において、熱放射体２２は８〜13μｍの範囲で放
射率が高いため、熱放射体２２からの熱放射３０
０は光エネルギの大きい８〜13μｍの波長範囲で
行なわれる。

従つて、この熱放射体２２で授受される放射光
による熱の移動は、光エネルギの小さい８〜13μ
ｍの波長範囲における大気からの熱放射２００お
よび光エネルギの大きい８〜13μｍの波長範囲に
おける熱放射体２２からの熱放射３００による熱
の移動を考慮すればよい。８〜13μｍの波長範囲
におけるこれら各熱放射２００，３００による熱
の移動は、第２図からも明らかな如く、熱放射体
２２からの熱放射３００による方が圧到的に多
い。

故に、本発明の放射冷却器では冷却器外部から
入る熱量より冷却器外部へ出て行く熱量の方が多
くなり、昼夜を問わずに優れた冷却能力が発揮さ
れる。すなわち、このようにして熱放射体２２が
冷却されると、この熱放射体２２に放射接触して
いる被冷却体も冷却されることになる。

第８図には本実施例の放射冷却器の冷却能力の
実測データが示されている。この実測データは熱
放射体２２の温度の経時変化を夜間と日中とに分
けて測定している。曲線ａは夜間における冷却能
力を示すものであり、外気温が25℃の時に約30分
間で熱放射体２２の温度を７℃まで冷却できるこ
とが確認される。曲線ｂは日中における冷却能力
を示すものであり、外気温が26℃の時に約30分間
で熱放射体２２の温度を15℃まで冷却できること
が確認される。

このように、本発明の放射冷却器は実測データ
からも昼夜を問わず優れた冷却能力を発揮するこ
とがわかる。

従つて、本発明の放射冷却器は、例えばその放
射面２２の裏面に被冷却体として水の流路を設け
れば簡単に冷水が得られ、その冷水を室内のフア
ンコイルユニツト等に導けば充分な冷房を行なう
ことが可能である。このため、住宅用またはビニ
ールハウス等の冷房には最適である。また、本発
明の放射冷却器は単に冷房にとどまらず、その優
れた冷却能力から他の巾広い分野への応用も可能
である。

なお、本実施例においては、鏡面アルミニウム
板の表面に厚さ25μｍのアフレツクスフイルムを
被覆して熱放射体２２の選択放射層２２ｂを形成
したが、アフレツクスフイルムの厚さはこれに限
られない。しかし、鏡面アルミニウム板の表面に
被覆するアフレツクスフイルムの厚さが40μｍ以
上になると、８〜13μｍの波長範囲の放射率は上
昇するが、それ以外の波長範囲での反射率が低下
してしまい、有効な冷却ができないという問題が
生じる。また、アフレツクスフイルムの厚さが
10μｍ以下になると、８〜13μｍの波長範囲での
反射率が上昇し放射率が大巾に低下してしまうた
め、冷却能力が悪くなる。従つて、鏡面アルミニ
ウム板の表面に被覆するアフレツクスフイルムの
厚さは10〜40μｍが適当である。

また、第９図には本発明の放射冷却器の他の実
施例が示されており、厚さ１mmの鏡面アルミニウ
ム板を用いて伝導層２２ａを形成し、この鏡面ア
ルミニウム板の表面に二弗化ビニリデンのポリマ
を延伸加工したKFフイルム（登録商標）を熱溶
着して選択放射層２２ｂを形成している。

第１０図には鏡面アルミニウム板および厚さ
9μｍのKFフイルムを用いて形成された本実施例
の熱放射体２２の分光反射率の特性が示されてお
り、第６図に近い特性を有していることが判る。
このKFフイルムは厚すぎても薄すぎても冷却器
の冷却能力を悪化させるため、５〜20μｍ程度の
厚さに設定するのが適当である。実施例において
は9μｍの厚さに形成されている。

そして、本実施例においては、アルミニウム板
で形成された伝導層２２ａの裏面に、被冷却体と
して内径10mm〓、外径12mm〓のアルミニウム製チユ
ーブからなる流路３０を複数本溶接固定してい
る。

従つて、この放射冷却器を屋外に設置し流路３
０に通水することにより、冷水を簡単に得ること
ができる。これは、流路３０を流れる水の熱が伝
導層２２ａを介して選択放射層２２ｂに迄伝導さ
れ、この選択放射層２２ｂから外部に放射される
からである。

実験によれば、第９図の放射冷却器を前述した
第４図の実施例の場合と同程度の大きさに形成
し、空が方線に対して±70゜以上の範囲で見渡せ
る屋外に設置し動作させたところ、外気温25℃の
条件の下、放射面積１m²当り１時間につき10℃の
冷水が17.3得られた。

また、本実施例の如く、伝導層２２ａの裏面に
アルミニウム製チユーブからなる流路３０を複数
本溶接固定することにより、熱放射体２２の機械
的強度および耐候性を向上させることができ、冷
却器全体の耐久性の向上が図られる。

以上説明したように、本発明によれば、熱放射
体の伝導層が鏡面金属板からなり、選択放射層が
所定の材料で構成されており、熱放射体が8μｍ
以下及び13μｍ以上の波長範囲で高い反射率を示
し、８〜13μｍの特定波長範囲で高い放射率を示
すため、Ａ・Ｋ・Headの理論に基づく放射冷却
を充分に行ない、昼夜を問わずに優れた冷却能力
を発揮する放射冷却器を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はＡ・Ｋ・Headの理論の説明図、第２
図は放射面に授受される放射光の放射スペクトル
の特性図、第３図は従来の放射冷却器の説明図、
第４図は本発明の放射冷却器の好適な実施例の説
明図、第５図は第４図の放射冷却器の熱放射体の
説明図、第６図は第５図に示す熱放射体の分光反
射率の特性図、第７図は放射冷却器における熱の
移動の説明図、第８図は第４図に示す放射冷却器
の冷却能力測定データを示す特性図、第９図は本
発明の他の実施例の説明図、第１０図は第９図に
示す熱放射体の分光反射率の特性図である。 ２０……断熱容器、２２……熱放射体、２２ａ
……伝導層、２２ｂ……選択放射層、３０……被
冷却体。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 断熱材にて形成され導入される被冷却体を収
   容する断熱容器と、 この断熱容器の一部に設けられた開口部と、 この開口部を閉塞する熱放射体と、を含み、 前記熱放射体は、 光反射率が高く、熱伝導率の高い鏡面金属板か
   らなる伝導層と、 この伝導層の容器外部側に被覆形成され、外光
   に含まれる８〜13μｍの特定波長域において高い
   光エネルギの放射率及び吸収率を有し、かつその
   他の波長域において高い光エネルギの透過率を有
   する二弗化ビニリデンのポリマまたはエチレン四
   弗化エチレンコポリマからなる選択放射層と、か
   ら形成され、 前記熱放射体は、前記特定波長域以外の領域に
   おいて光エネルギの伝達を抑止し、前記特定波長
   域において光エネルギの伝達を行うことによつ
   て、断熱容器内に収容した被冷却体の冷却を行う
   ことを特徴とする放射冷却器。 ２ 前記断熱容器の内面に金属箔を設けることを
   特徴とする特許請求の範囲第１項記載の放射冷却
   器。