WO2020250536A1 - 冷却装置 - Google Patents

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WO2020250536A1
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彰一郎 菅
尚久 太田
松田　宏
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    • E04B—GENERAL BUILDING CONSTRUCTIONS; WALLS, e.g. PARTITIONS; ROOFS; FLOORS; CEILINGS; INSULATION OR OTHER PROTECTION OF BUILDINGS
    • E04B1/00—Constructions in general; Structures which are not restricted either to walls, e.g. partitions, or floors or ceilings or roofs
    • E04B1/62—Insulation or other protection; Elements or use of specified material therefor
    • E04B1/74—Heat, sound or noise insulation, absorption, or reflection; Other building methods affording favourable thermal or acoustical conditions, e.g. accumulating of heat within walls
    • E04B1/76—Heat, sound or noise insulation, absorption, or reflection; Other building methods affording favourable thermal or acoustical conditions, e.g. accumulating of heat within walls specifically with respect to heat only
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24F—AIR-CONDITIONING; AIR-HUMIDIFICATION; VENTILATION; USE OF AIR CURRENTS FOR SCREENING
    • F24F1/00—Room units for air-conditioning, e.g. separate or self-contained units or units receiving primary air from a central station
    • F24F1/0007—Indoor units, e.g. fan coil units
    • F24F1/009—Indoor units, e.g. fan coil units characterised by heating arrangements
    • F24F1/0093—Indoor units, e.g. fan coil units characterised by heating arrangements with additional radiant heat-discharging elements, e.g. electric heaters
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24F—AIR-CONDITIONING; AIR-HUMIDIFICATION; VENTILATION; USE OF AIR CURRENTS FOR SCREENING
    • F24F5/00—Air-conditioning systems or apparatus not covered by F24F1/00 or F24F3/00, e.g. using solar heat or combined with household units such as an oven or water heater

Definitions

  • This disclosure relates to a cooling device.
  • the wavelength of the emitted infrared rays is controlled, the infrared rays of a specific wavelength that is easily absorbed by an object to be heated such as the human body are used as the main wavelength of the radiation, and the directivity of the emitted infrared rays is used.
  • a technique has been proposed in which the efficiency of heating and cooling is improved by selectively heating the object to be heated.
  • Patent Document 1 discloses a technique in which a heat conductive sheet is bent and arranged so as to be in contact with a heat exchange pipe to increase the contact area with the radiant panel, increase the amount of heat transfer, and improve the efficiency of heating and cooling.
  • wavelength-selective radiative cooling is performed by the fact that the atmosphere on the earth transmits infrared rays of a specific wavelength without absorbing them, and by a film in which a polymer layer mixed with particles and a metal reflecting layer are combined. It is disclosed that it is possible.
  • the present disclosure has been made in view of the above, and an object of the present disclosure is to improve the cooling efficiency in a cooling device including a radiator having wavelength selectivity.
  • the present disclosure provides a cooling device capable of selectively emitting electromagnetic waves of a specific wavelength and having a radiator having an uneven structure on the surface.
  • FIG. 1 is a diagram showing a usage example in which the cooling device 1 of the present embodiment is installed on the roof of a building.
  • FIG. 2 is a diagram showing a cooling device 1 according to the first embodiment of the present disclosure.
  • the cooling device 1 according to the present embodiment includes a housing unit 2 and a radiator 3.
  • the cooling device 1 according to the present embodiment is used, for example, as a building cooling device. Specifically, for example, as shown in FIG. 1, it is installed on the roof of a building or the like to perform radiative cooling toward the sky.
  • the accommodating portion 2 has a structure capable of accommodating the radiator 3.
  • the material and shape of the accommodating portion 2 are not particularly limited, but in order to accommodate the radiator 3 to be heated, it is preferably made of a material having a certain heat resistance such as a metal or a heat-resistant resin.
  • the accommodating portion 2 may be, for example, a part of a building embedded in a roof, a wall, a ceiling, or the like, or may be an independent housing.
  • the radiator 3 radiates the thermal energy received from the heat source as an electromagnetic wave having a certain wavelength region (infrared ray in the present embodiment). At this time, if the emitted infrared rays are absorbed by the atmosphere, the temperature around the cooling target is raised, so that the cooling efficiency is lowered. Therefore, when thermal energy is radiated by infrared rays, it is preferable that the heat energy is radiated at a wavelength that is difficult to be absorbed by the atmosphere and is emitted into outer space.
  • FIG. 3 is a graph showing the infrared transmittance of a gas contained in the atmosphere.
  • the bottom row is a graph showing the infrared transmittance of the atmosphere.
  • the transmittance of infrared rays in the atmosphere differs depending on the wavelength of infrared rays.
  • infrared rays having a wavelength of 8 to 13 ⁇ m are hardly absorbed by the atmosphere and most of them are transmitted.
  • Such a wavelength range capable of transmitting the atmosphere is called an atmospheric window. Therefore, if infrared rays having a wavelength of 8 to 13 ⁇ m are radiated above the horizontal, thermal energy can be efficiently emitted into outer space.
  • the heat source that released the heat energy is cooled and the temperature drops.
  • a refrigerant such as water or gas is used as a heat source for supplying heat to the radiator 3
  • the refrigerant cooled by the radiative cooling of the radiator 3 is passed through a heat exchange tube passing through each room of the building to cool the room. After that, the refrigerant that has become hot again is cooled by the radiator 3, and can be used as a cooling system for the building.
  • FIG. 4 is a diagram showing a cross-sectional configuration example of the radiator 3 according to the present embodiment.
  • the radiator 3 is composed of, for example, a polymer layer 31 and a metal reflective layer 32, as shown in FIG.
  • the polymer layer 31 is configured by dispersing a plurality of dielectric particles 311 in a dispersion medium 312.
  • the desired wavelength selectivity can be obtained by appropriately selecting the particle size and material of the dielectric particles 311 or the physical properties of the dispersion medium.
  • the dispersion medium 312 is preferably composed of a material capable of transmitting infrared rays having a wavelength of 8 to 13 ⁇ m. This is to efficiently release heat energy from the window of the atmosphere into outer space.
  • the dielectric particles 311 preferably consist of at least one selected from the group consisting of silicon dioxide, calcium carbonate, silicon carbide, zinc oxide, titanium dioxide, and alumina.
  • the dispersion medium 312 preferably comprises at least one selected from the group consisting of 4-methyl-1-pentene polymer, 4-methyl-1-pentene copolymer, polyvinyl fluoride and polyethylene terephthalate.
  • the dispersion medium 312 can be formed using TPX TM manufactured by Mitsui Chemicals, Inc.
  • a MIM (metal-insulator-metal) structure and a cavity structure can also be used.
  • FIG. 5 is an external perspective view showing an example of the radiator 3 according to the present embodiment.
  • the efficiency of radiation changes depending on the shape of the radiator 3. That is, by providing the radiator 3 with an uneven structure, the surface area of the radiator 3 can be increased and the amount of heat energy released can be increased. However, it is also conceivable that the infrared rays radiated from itself may be reabsorbed by having the uneven structure. Therefore, it is preferable that the radiator 3 has a shape and a configuration so as to increase the surface area and reduce the amount of reabsorbing infrared rays emitted from the radiator 3.
  • the shape of the radiator 3 of the present embodiment is formed in a bellows shape in which mountain portions 35 and valley portions 33 are alternately and continuously arranged in a predetermined direction as shown in FIG. 6 to 9 are cross-sectional views of the valley 33 of one of the bellows structures.
  • the facing surfaces 34a and 34b of the valley 33 are symmetrical with respect to the normal passing through the point O of the OH plane in FIG. 6, and both form an angle ⁇ with respect to the OH plane (0 ° ⁇ ⁇ 90 °). ).
  • the horizontal distance between the tops R and R of the facing surfaces is 2L. In the present disclosure, this distance is also referred to as the width of the valley 33.
  • FIG. 6 is a diagram showing the traveling direction of infrared rays emitted from a certain point on the radiator 3. Infrared rays are radiated from each point on the radiator 3. As shown in FIG. 6A, the infrared rays radiated from the surface 34a include a component A that advances toward the air as it is and a component B that advances toward the opposite surface 34b. When the wavelength selectivity of the facing surfaces 34a and 34b of the valley portion 33 of the radiator 3 is the same, the component B is absorbed by the opposing surfaces 34b.
  • the ratio of the component absorbed on the opposite surface to the component radiated into the air changes depending on the angle ⁇ in FIG.
  • this angle ⁇ becomes small, the ratio of the components absorbed decreases, and when the angle ⁇ becomes large, the ratio of absorbed components increases.
  • the angle ⁇ is large, the surface area of the radiator increases, so that the total amount of infrared rays emitted increases.
  • the cooling efficiency needs to be calculated by integrating the total amount of infrared rays and the ratio of the components radiated into the air.
  • the total amount of infrared rays that contribute to cooling is specifically considered by a mathematical formula.
  • the total amount P of infrared rays is represented by the product of the radiation amount p (T) per unit area, the area term L / cos ⁇ of the radiator 3, and the angle term which is an angle component radiated into the air, and is represented by FIG.
  • the total amount of infrared rays is as shown in the following equation (1).
  • P (T) indicates that the amount of infrared radiation is temperature-dependent
  • L and ⁇ are defined as shown in FIG.
  • the angles ⁇ ka and ⁇ kb shown in FIGS. 7A and 7B are the angles formed by the infrared angular component group emitted from a certain point on the surface 34a of the radiator 3 with the surface 34a of the radiator 3 in the air. Indicates the maximum angle that is not radiated to.
  • the group of infrared angle components radiated from the infrared component indicates the maximum angle of the infrared component that is not radiated into the air among the angles formed by the surface 34a of the radiator 3.
  • FIG. 8 shows a component radiating from the surface 34a to the surface 34b
  • FIG. 9 shows a component reflected from the surface 34b and incident on the surface 34a.
  • the points that divide the surface 34a into n are the points 1, 2, and. .. .. Assuming n, the larger n is, the more accurately the radiation from the surface 34a can be considered.
  • the surface 34a is divided into five, and five points 1 to 5 are illustrated.
  • the angular component whose angle with the surface 34a of the radiator 3 is larger than ⁇ k is radiated into the air and contributes to cooling.
  • the angle term can be expressed by a mathematical formula as shown in equation (2).
  • equation (2) the surface 34a of the radiator 3 is divided into n pieces, and the angles radiated into the air at each point are added to make n ⁇ ⁇ .
  • the ratio of the components radiated into the air among the infrared rays radiated from each point of the radiator 3 can be expressed as an angle term.
  • the calculation method of the term of the angle component is different depending on whether the wavelength selectivity between the left and right surfaces of the radiator 3 is the same or different.
  • the wavelength selectivity between the left and right surfaces of the radiator 3 is the same, the component of the emitted infrared rays that is incident on the facing radiator 3 is absorbed, so only the component that is directly radiated into the air is the angular term.
  • an angle larger than ⁇ ka shown in FIG. 7A may be considered.
  • the component of the emitted infrared rays that is incident on the facing radiator 3 is reflected.
  • the reflected component is divided into a component that recurses to the original radiator 3 and a component that is reflected into the air, but since the former is absorbed, only the latter is considered in the angle term. That is, the sum of the component directly radiated into the air from the original radiator 3 and the component reflected into the air by the opposing radiator 3 is considered as an angle term. At this time, an angle larger than ⁇ kb shown in FIG. 7B may be considered.
  • FIG. 10 is a graph showing the inclination angle ⁇ dependence of the area term.
  • FIG. 11 is a graph showing the inclination angle ⁇ dependence of the angle term.
  • the proportion of infrared rays absorbed by the opposing surfaces of the radiator 3 increases as ⁇ increases in the entire range of 0 ° ⁇ ⁇ 90 °. , The angle term becomes smaller.
  • the cooling device 1 of the present embodiment infrared rays having a specific wavelength can be radiated, and the cooling efficiency is improved by increasing the surface area due to the uneven structure of the radiator.
  • the facing surfaces 34a and 34b of the valley 33 are formed symmetrically with respect to the normal passing through the point O of the OH plane in FIG. 6, but the facing surfaces 34a and 34b of the valley 33 are asymmetric. It may be formed, and the cooling efficiency is similarly improved.
  • the cooling device 1 of the present embodiment includes a radiator 3 capable of selectively radiating an electromagnetic wave having a specific wavelength and having an uneven structure on the surface.
  • the surface area of the radiator is larger than that of the radiator formed in a single plane, and radiative cooling can be performed efficiently.
  • the uneven structure is a bellows structure in which peaks 35 and valleys 33 are alternately and continuously arranged in a predetermined direction, and the two surfaces 34a and 34b that form the valleys 33 and face each other have different wavelength selections. It is preferable to have sex. As a result, the electromagnetic waves radiated between the opposing surfaces can be reflected, so that radiative cooling can be performed efficiently.
  • the uneven structure is also a bellows structure in which peaks 35 and valleys 33 are alternately and continuously arranged in a predetermined direction, and the two surfaces 34a and 34b that form the valleys 33 and face each other have the same wavelength. It has selectivity, and the size of the angle (for example, the angle ⁇ described later) formed by the two surfaces with respect to the surface extending in the predetermined direction is the same, and the size of the angle formed is 75 ° or more and 90 °. It may be less than. As a result, the surface area of the radiator is larger than that of the radiator formed on a single plane, and the cooling efficiency is improved even if the electromagnetic waves radiated between the opposing surfaces are absorbed. ..
  • the wavelength of the electromagnetic wave radiated from at least one of the two surfaces 34a and 34b includes a part of the wavelength region where the transmittance of the atmosphere is larger than zero.
  • the wavelengths of the electromagnetic waves radiated from the two surfaces 34a and 34b both include a part of the wavelength region where the transmittance of the atmosphere is larger than zero. This makes it possible to perform radiative cooling more efficiently.
  • the radiator 3 includes a polymer layer 31 and a metal reflective layer 32 laminated with the polymer layer 31, and the polymer layer 31 is composed of a dispersion medium 312 and a plurality of dielectrics dispersed in the dispersion medium 312. It has the body particles 311 and the dielectric particles 311 preferably consist of at least one selected from the group consisting of silicon dioxide, calcium carbonate, silicon carbide, zinc oxide, titanium dioxide and alumina. As a result, good wavelength selectivity can be obtained.
  • the dispersion medium 312 preferably comprises at least one selected from the group consisting of 4-methyl-1-pentene polymer, 4-methyl-1-pentene copolymer, polyvinyl fluoride and polyethylene terephthalate. As a result, even better wavelength selectivity can be obtained.
  • the cooling device 1 is installed outdoors and the radiator 3 is installed so as to radiate above the horizontal toward outer space. As a result, electromagnetic waves are radiated toward outer space, so that radiative cooling can be performed efficiently.
  • the cooling device 1 can be used as a building cooling system 10 by attaching it to the roof of the building 6. At that time, by installing the photovoltaic power generation panel 7 on the sunny south roof and the cooling device 1 on the vacant north roof, the roof space can be effectively used to generate power and radiative cooling at the same time. It can be carried out. Further, if the electric power generated by the panel 7 is used as a power source for the refrigerant circulation, cooling can be performed with higher efficiency.
  • the radiator 3 has wavelength selectivity that allows it to pass through the atmosphere, and can directly exhaust heat to outer space. That is, the exhaust heat of cooling does not affect the vicinity of the place where the device is used. If the cooling device 1 is introduced in an urban area where buildings are overcrowded, it may lead to mitigation of the heat island phenomenon. Further, the cooling device 1 of the present embodiment may be used as a cold storage system.
  • FIG. 13 is a diagram showing a radiator 103 according to the second embodiment of the present disclosure.
  • the cooling device 101 according to the second embodiment of the present disclosure has a different shape of the radiator 3 as compared with the first embodiment.
  • the radiator 103 according to the second embodiment is configured such that the bellows structure of the radiator 3 is alternately and continuously arranged with peaks and valleys in a direction orthogonal to the predetermined direction. That is, the shape is such that the quadrangular pyramids are lined up continuously. As a result, the surface area of the radiator 3 is increased, so that the cooling efficiency is further improved.
  • the lower part of FIG. 13 shows a cross section of the radiator 103 on a plane passing through the line segments X 1 X 2 and perpendicular to the bottom surface of the quadrangular pyramid.
  • FIG. 14 is a diagram showing the radiator 203 according to the third embodiment of the present disclosure.
  • the cooling device 201 according to the third embodiment of the present disclosure is configured by arranging quadrangular pyramids instead of quadrangular pyramids in the radiator 103 according to the second embodiment. Also in this form, the surface area of the radiator is increased as compared with the case where the concave-convex structure is not provided, so that the cooling efficiency is improved.
  • the lower part of FIG. 14 shows a cross section of the radiator 203 on a plane perpendicular to the upper surface and the bottom surface of the quadrangular pyramid through the line segments Y 1 and Y 2 . The same effect can be obtained even if the trapezoids are continuously arranged in the continuous direction of the bellows structure in the first embodiment.
  • the embodiment of the present disclosure has been described above.
  • the embodiments of the present disclosure are not limited to this, and improved / modified ones are also included in the present disclosure.
  • the shape of the radiator may be changed, but the radiation efficiency may be improved by the increase in the surface area of the radiator and the reflection utilizing the difference in wavelength selectivity. For example, it is included in this disclosure.
  • Cooling device 2 Containment part 3,103,203 Radiant 31 Polymer layer 311 Dielectric particle 312 Dispersion medium 32 Metal reflection layer 33 Valley 34a, b Opposite surface of valley 35 Mountain part 4 Heat exchange tube 5 Atmospheric window 6 Building 7 Photovoltaic panel 10 Cooling system

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Abstract

特定波長の電磁波を選択的に放射可能であるとともに、表面に凹凸構造を有する放射体を備える、冷却装置である。前記凹凸構造は、山部と谷部が所定方向に交互に連続して配置された構造であることが好ましい。これにより、波長選択性を有する放射体を備える冷却装置において、冷却効率を向上させることが可能になる。

Description

冷却装置
　本開示は、冷却装置に関する。
　従来、放射を利用した冷暖房装置に関し、放射される赤外線の波長を制御し、人体等の被加熱物に吸収されやすい特定波長の赤外線を放射の主波長とするとともに、放射される赤外線の指向性を高め、被加熱物に向けて選択的に加熱を行うことで冷暖房の効率を向上させる技術が提案されている。
　特許文献１には、熱交換パイプに接するように熱伝導シートを折り曲げて配置することで放射パネルへの接触面積を増大させて伝熱量を増やし、冷暖房の効率を高める技術が開示されている。
　また、特許文献２には、地球上の大気が特定波長の赤外線を吸収せずに透過することや、粒子を混合したポリマー層に金属反射層を合わせたフィルムによって、波長選択的な放射冷却が可能であることが開示されている。
特許６３７２００４号公報 国際公開２０１７／１５１５１４号公報
　しかしながら、特許文献２に記載の折り曲げた構造を有する熱伝導体においては、熱伝導体から放射された赤外線が熱伝導体の他の箇所で吸収されるため、外部との伝熱量が小さくなり冷暖房効率が低減してしまう。
　本開示は、上記に鑑みてなされたものであり、波長選択性を有する放射体を備える冷却装置において、冷却効率を向上させることを目的とする。
　本開示は、特定波長の電磁波を選択的に放射可能であるとともに、表面に凹凸構造を有する放射体を備える、冷却装置を提供する。
本開示の第１実施形態に係る冷却装置１を設置した建物を模式的に表す図である。 本実施形態に係る冷却装置を示す図である。 大気中に含まれる気体の赤外線透過率を示すグラフである。 本実施形態に係る放射体の断面構成を示す図である。 本実施形態に係る放射体の一例を示す外観斜視図である。 向かい合う放射体の波長選択性が同じ場合の、放射体上のある点から放射される赤外線の進む方向を示す図である。 向かい合う放射体の波長選択性が異なる場合の、放射体上のある点から放射される赤外線の進む方向を示す図である。 向かい合う放射体の波長選択性が同じ場合の、放射体上のある点から赤外線放射されない最大の角度を示す図である。 向かい合う放射体の波長選択性が異なる場合の、放射体上のある点から赤外線放射されない最大の角度を示す図である。 向かい合う放射体の波長選択性が同じ場合の、放射体上の各点から赤外線放射されない最大の角度を示す図である。 向かい合う放射体の波長選択性が異なる場合の、放射体上の各点から赤外線放射されない最大の角度を示す図である。 面積項の傾斜角依存性を表すグラフである。 角度項の傾斜角依存性を表すグラフである。 赤外線の放射量の傾斜角依存性を表すグラフである。 本開示の第２実施形態に係る放射体を表す図である。 本開示の第３実施形態に係る放射体を表す図である。
　以下、本開示の実施形態について説明するが、本開示はこれに限定されるものではない。
（第１実施形態）
　図１は、本実施形態の冷却装置１を建物の屋根に設置した使用例を表す図である。図２は、本開示の第１実施形態に係る冷却装置１を示す図である。
　図２に示すように、本実施形態に係る冷却装置１は、収容部２と、放射体３と、を有して構成される。本実施形態に係る冷却装置１は、例えば建物の冷房装置として用いられる。具体的には、例えば、図１に示すように建物の屋根等に設置されて上空へ向けて放射冷却を行う。
　収容部２は、放射体３を収容可能な構造を有する。収容部２の材質や形状については特に制限されないが、加熱される放射体３を収容するため、金属や耐熱性樹脂等、一定の耐熱性を有する材質により構成されることが好ましい。収容部２は、例えば、屋根、壁、天井等に埋設されて建物の一部であってもよいし、独立した筐体であってもよい。
　放射体３は、熱源から受け取った熱エネルギーを、一定の波長領域を有する電磁波（本実施形態においては、赤外線）として放射する。このとき、放射された赤外線が大気に吸収されてしまうと冷却対象の周囲の気温を上昇させてしまうため、冷却効率が低下する。そのため、熱エネルギーが赤外線放射される場合には、大気に吸収されにくい波長で放射され、宇宙空間に放出されることが好ましい。
　大気を透過しにくい波長で放射を行う場合、夏の日中等の高温多湿な時間帯には、放射熱が冷却装置周囲の空気に吸収され、高温の空気から装置に伝熱する結果、放射冷却の効果が感じられにくい。この点、大気に吸収されずに宇宙空間に向けて放射する場合には、空気からの伝熱量が少なくなり、放射冷却の効果をより高く感じることができる。
　図３は、大気中に含まれる気体の赤外線透過率を示すグラフである。最下段は、大気の赤外線透過率を示すグラフである。
　図３に示すように、大気中の赤外線の透過率は赤外線の波長によって異なり、例えば８～１３μｍの波長の赤外線は大気には吸収されにくく、大部分が透過される。このような大気を透過可能な波長域は、大気の窓と呼ばれる。したがって、８～１３μｍの波長の赤外線を水平よりも上方に向けて放射すれば、熱エネルギーを効率よく宇宙空間に放出することができる。
　熱エネルギーを放出された熱源は冷却されて、温度が低下する。放射体３に熱を供給する熱源として例えば水や気体等の冷媒を用いれば、放射体３の放射冷却により低温となった冷媒を建物の各部屋を通る熱交換チューブに通し、部屋を冷却した後、再び高温となった冷媒を放射体３によって冷却することで、建物の冷房システムとして利用可能である。
　図４は、本実施形態に係る放射体３の断面構成例を示す図である。
　放射体３は、例えば図４に示すように、ポリマー層３１と、金属反射層３２とからなる。ポリマー層３１は、複数の誘電体粒子３１１を分散媒３１２中に分散させて構成される。誘電体粒子３１１の粒径や材質、あるいは分散媒の物性を適当に選択することで、所望の波長選択性が得られる。
　分散媒３１２は、８～１３μｍの波長の赤外線を透過させうる材料で構成することが好ましい。大気の窓から熱エネルギーを効率よく宇宙空間に放出させるためである。
　例えば、誘電体粒子３１１は、二酸化ケイ素、炭酸カルシウム、炭化ケイ素、酸化亜鉛、二酸化チタン、アルミナからなる群より選択される少なくとも１種からなることが好ましい。また、分散媒３１２は、４－メチル－１－ペンテンポリマー、４－メチル－１－ペンテンコポリマー、ポリフッ化ビニルおよびポリエチレンテレフタレートからなる群より選択される少なくとも１種からなることが好ましい。例えば、三井化学社製のＴＰＸＴＭを用いて分散媒３１２を形成することができる。
　波長選択性を有する構造としては、例えば、本実施形態の放射体の他、ＭＩＭ（metal-insulator-metal）構造、キャビティ構造も利用することができる。
　図５は、本実施形態に係る放射体３の一例を示す外観斜視図である。
　放射体３の形状により、放射の効率が変化する。すなわち、放射体３に凹凸構造を設けることで、放射体３の表面積を増大させて、放出する熱エネルギーの量を増加させることができる。ただし、凹凸構造を有することによって、自身から放射された赤外線を再吸収してしまうことも考えられる。そのため放射体３は、表面積を増大させつつ、自身から放射された赤外線を再吸収する量が少なくなるような形状および構成であることが好ましい。
　具体的には、本実施形態の放射体３の形状は、図５に示すような山部３５と谷部３３が所定方向に交互に連続して配置された蛇腹状に形成される。また図６～図９は、蛇腹構造のうちの一の谷部３３について断面視したものである。谷部３３の向かい合う面３４ａ、３４ｂは、図６におけるＯＨ平面の点Ｏを通る法線に関して互いに対称に構成され、ＯＨ平面に対してともに角θをなしている（０°＜θ＜９０°）。向かい合う面３４ａ、３４ｂの一つの頂部Ｒから底部Ｏに至るＯＲ面のＯＨ平面への正射影の長さをＬとすると、向かい合う面の頂部Ｒ，Ｒ間の水平方向の距離は２Ｌとなる。本開示においては、この距離を谷部３３の幅とも称する。
　図６は、放射体３上のある点から放射される赤外線の進む方向を示す図である。
　赤外線は放射体３上の各点から放射状に放射される。図６Ａに示すように、面３４ａから放射される赤外線は、そのまま空気中に向けて進む成分Ａと、対向する面３４ｂに向けて進む成分Ｂが存在する。放射体３の谷部３３の向かい合う面３４ａ、３４ｂの波長選択性が同じ場合には、成分Ｂは対向する面３４ｂに吸収される。
　放射体３の谷部３３の向かい合う面３４ａ、３４ｂの波長選択性が異なる場合には、図６Ｂに示すように、反射してさらに空気中に進む（Ｂ１）か、もしくは対向する右側の面３４ａに向けて進む（Ｂ２）。放射体３の左右の面の波長選択性が同じ場合と比較して、成分Ｂ１の分だけ空気中に放射される赤外線量が多くなるため、冷却効率が向上する。成分Ｂ２は、右側の面３４ａに吸収される。
　なお、空気中に放射される成分に対する、対向する面に吸収される成分の比率は、図６中の角度θによって変化する。この角度θが小さくなると吸収される成分の比率は減少し、角度θが大きくなれば吸収される比率は増加する。ただし、角度θが大きければ放射体の表面積が増大するため、放射する赤外線の総量が増加する。冷却効率は赤外線の総量と空気中に放射される成分の比率を総合して算出される必要がある。
　ここで、冷却に寄与する赤外線の総量について具体的に数式で考える。赤外線の総量Ｐは、単位面積あたりの放射量ｐ（Ｔ）と、放射体３の面積項Ｌ／cosθと、空気中に放射される角度成分である角度項との積で表され、図６の平面内で考えると赤外線総量は下記式（１）のようになる。なお、Ｐ（Ｔ）は赤外線の放射量が温度に依存することを示し、Ｌおよびθは図６のように定義されるものとする。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 　　　…（１）
　図７Ａおよび図７Ｂ中に示す角度θｋａ，θｋｂは、放射体３の面３４ａ上のある点から放射される赤外線の角度成分群が放射体３の面３４ａとなす角度のうち、空気中に放射されない最大の角度を示す。
　同様に、図８および図９中に示す角度θ１α，θ２α，．．．（α＝ａ，ｂ）は、放射体３の面３４ａ上の点１，２，．．．から放射される赤外線の角度成分群が、放射体３の面３４ａとなす角度のうち、空気中に放射されない赤外線成分の最大の角度を示す。このうち、図８は面３４ａから面３４ｂに対して放射する成分を示し、図９は面３４ｂから反射して面３４ａに入射する成分を示す。ここで、面３４ａをｎ分割する点を点１，２，．．．ｎとすると、ｎを大きくするほど面３４ａからの放射を精度よく考慮できる。図８および９では、面３４ａを５分割し、点１から５までの５点について図示している。
　放射体３の面３４ａ上のある点から放射される赤外線の角度成分群のうち、放射体３の面３４ａとなす角度がθｋよりも大きい角度成分が、空気中に放射されて冷却に寄与する。すなわち、上記式（１）の角度項の意味するところは、（θｋよりも大きい角度成分）／（放射する全角度範囲＝１８０°）である。
　角度項を数式で表すと、式（２）のようになる。式（２）は、放射体３の面３４ａをｎ個に分割し、各点についての空気中に放射される角度を足し合わせ、ｎ→∞としたものである。これにより、放射体３の各点から放射状に放射される赤外線のうち、空気中に放射される成分の割合を角度項として表せる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
 　　　…（２）
　なお、放射体３の左右の面同士の波長選択性が同じ場合と異なる場合について、角度成分の項の算出方法が異なる。放射体３の左右の面同士の波長選択性が同じ場合には、放射された赤外線のうち向かい合う放射体３に入射する成分は吸収されるため、空気中に直接放射される成分のみを角度項として考慮する。すなわち、図７Ａに示すθｋａよりも大きい角度を考慮すればよい。
　放射体３の左右の面同士の波長選択性が異なる場合には、放射された赤外線のうち、向かい合う放射体３に入射する成分は反射される。反射された成分は、元の放射体３に再帰する成分と、空気中へ反射される成分に分けられるが、前者は吸収されるため、後者のみを角度項に考慮する。すなわち、元の放射体３から空気中に直接放射される成分と、向かい合う放射体３で空気中へ反射される成分との和を角度項として考慮する。このとき、図７Ｂに示すθｋｂよりも大きい角度を考慮すればよい。
　図１０は、面積項の傾斜角θ依存性を表すグラフである。
　上述したように、図６の平面内で考えれば、放射体３の面積項はＬ／cosθで表される。よってθの増加に伴って、面積項は１／cosθ倍となるから、０°＜θ＜９０°において図１０に示すように増加していく。またθ＝０のときの面積項を１とする。
　図１１は、角度項の傾斜角θ依存性を表すグラフである。
　θ＝０°、すなわち放射体３が凹凸構造を有しない平面構造である場合、放射体３から放射された赤外線はすべて空気中に放出されることとなる。したがって、θｋ＝０°であり、角度項は１８０°／１８０°＝１である。
　放射体３の左右の面同士の波長選択性が同じ場合、０°＜θ＜９０°の全範囲において、θの増加に伴って向かい合う放射体３の面に吸収される赤外線の割合が増加し、角度項は小さくなる。
　放射体３の左右の面同士の波長選択性が異なる場合、０°＜θ≦４５°のときには、向かい合う放射体３で反射した赤外線は、すべて空気中に反射されることとなるから、放射体３から放射された赤外線はすべて空気中に放出されることとなる。したがって、θｋ＝０°であり、このθの範囲において角度項は常に１となる。４５°＜θ＜９０°の時には、放射体３の左右の面同士の波長選択性が同じ場合と同様に、θの増加に伴って角度項は小さくなる。
　図１２は、赤外線の放射量の傾斜角θ依存性を表すグラフである。
　これは、式（１）で表される赤外線総量Ｐを計算したものであり、図１０および１１に示す面積項および角度項を掛け合わせたものに比例する。角度項はｎ＝５として幾何光学の原理に基づき、入射角と反射角が等しくなる点を算出した。また、θ＝０°、すなわち放射体３が凹凸構造を有しない平面構造である場合の放射量を１とする。
　放射体３の左右の面同士の波長選択性が同じ場合、７５°≦θ＜９０°の範囲において、θ＝０°のときと比較して放射量が増加していることがわかる。さらに放射体３の左右の面同士の波長選択性が異なる場合には、０°＜θ＜９０°の全範囲でθの増加に伴って放射量が増加する。θが大きくなるほど放射量は大きく増加し、特に７５°≦θ＜９０°の範囲においては、放射体３が平面構造である場合と比べて２倍以上の放射量となり、高効率な放射が可能である。
　以上、本実施形態の冷却装置１によれば、特定の波長の赤外線を放射できるとともに、放射体の凹凸構造によって表面積を増大させることで冷却効率が向上する。なお、本実施形態では谷部３３の向かい合う面３４ａ、３４ｂが図６におけるＯＨ平面の点Ｏを通る法線に関して互いに対称に形成されているが、谷部３３の向かい合う面３４ａ、３４ｂが非対称に形成されていてもよく、同様に冷却効率が向上する。
　本実施形態の冷却装置１は、特定波長の電磁波を選択的に放射可能であるとともに、表面に凹凸構造を有する放射体３を備える。これにより、単一平面で形成される放射体と比較して放射体の表面積が大きくなり、放射冷却を効率的に行うことが可能になる。
　前記凹凸構造は、山部３５と谷部３３が所定方向に交互に連続して配置された蛇腹構造であり、谷部３３を構成するとともに対向する２つの面３４ａ，３４ｂは、それぞれ異なる波長選択性を有することが好ましい。これにより、対向する面同士で放射された電磁波を反射可能であるため、放射冷却を効率的に行うことが可能になる。
　前記凹凸構造は若しくは、山部３５と谷部３３が所定方向に交互に連続して配置された蛇腹構造であり、谷部３３を構成するとともに対向する２つの面３４ａ，３４ｂは、同一の波長選択性を有し、前記２つの面が前記所定方向に延びる面に対してなす角（例えば、後述の角θ）の大きさは同一であり、前記なす角の大きさは７５°以上９０°未満であってもよい。これにより、単一平面で形成される放射体と比較して放射体の表面積が大きくなり、対向する面同士での放射された電磁波が吸収されることを加味しても、冷却効率が向上する。
　２つの面３４ａ，３４ｂのうち少なくとも一方の面から放射される電磁波の波長は、大気の透過率がゼロより大きい波長領域を一部含む。これにより、放射された電磁波が冷却対象の周囲の空気に吸収されることなく宇宙空間へ放出されるため、放射冷却を効率的に行うことが可能になる。
　２つの面３４ａ，３４ｂから放射される電磁波の波長は、ともに大気の透過率がゼロより大きい波長領域を一部含むことが好ましい。これにより、さらに放射冷却を効率的に行うことが可能になる。
　放射体３は、ポリマー層３１と、ポリマー層３１と積層される金属反射層３２と、を有して構成され、ポリマー層３１は、分散媒３１２と、分散媒３１２に分散される複数の誘電体粒子３１１と、を有し、誘電体粒子３１１は、二酸化ケイ素、炭酸カルシウム、炭化ケイ素、酸化亜鉛、二酸化チタンおよびアルミナからなる群より選択される少なくとも１種からなることが好ましい。これにより、良好な波長選択性が得られる。
　分散媒３１２は、４－メチル－１－ペンテンポリマー、４－メチル－１－ペンテンコポリマー、ポリフッ化ビニルおよびポリエチレンテレフタレートからなる群より選択される少なくとも１種からなることが好ましい。これにより、さらに良好な波長選択性が得られる。
　冷却装置１は、屋外に設置されるとともに、放射体３は、宇宙空間に向けて水平よりも上方に放射するよう設置されることが好ましい。これにより、電磁波が宇宙空間へ向けて放射されるため、放射冷却を効率的に行うことが可能になる。
　以上、本開示の第１実施形態について説明した。
　本開示の冷却装置１の利用の形態例として、図１に示すように、冷却装置１を建物６の屋根に取り付けることによって建物の冷房システム１０として用いることができる。その際、日当たりのよい南面の屋根に太陽光発電パネル７を設置し、空いた北面の屋根に冷却装置１を設置することで、屋根のスペースを有効に利用して、発電と放射冷却を同時に行うことができる。また、パネル７によって発電した電力を冷媒循環の動力源として使用すれば、より高効率に冷却を行うことができる。
　また、放射体３は大気を透過する波長選択性を有しており、熱を宇宙空間に直接排熱することが可能である。すなわち、冷却の排熱が装置使用箇所近辺に影響することがない。
冷却装置１を建物過密である都市部で導入すれば、ヒートアイランド現象の緩和にも繋がる可能性がある。さらには、本実施形態の冷却装置１を用いて、蓄冷システムとしてもよい。
　次に、本開示の他の実施形態の冷却装置について説明する。
（第２実施形態）
　図１３は、本開示の第２実施形態に係る放射体１０３を表す図である。
　本開示の第２実施形態に係る冷却装置１０１は、第１実施形態と比較して、放射体３の形状が異なる。第２実施形態に係る放射体１０３は、放射体３の蛇腹構造が、前記所定方向に直交する方向にも山部と谷部が交互に連続して配置されて構成される。すなわち、四角錐が連続して並ぶ形状となる。これにより、放射体３の表面積が増大するため、冷却効率がさらに向上する。また図１３下部には、線分Ｘ１Ｘ２を通り四角錐の底面に垂直な面における、放射体１０３の断面を示している。
（第３実施形態）
　図１４は、本開示の第３実施形態に係る放射体２０３を表す図である。
　本開示の第３実施形態に係る冷却装置２０１は、第２実施形態に係る放射体１０３において、四角錐でなく四角錐台が並んで構成される。この形態においても、凹凸構造を有しない場合と比較して放射体の表面積が増大するため、冷却効率が向上する。また図１４下部には、線分Ｙ１Ｙ２を通り四角錐台の上面および底面に垂直な面における、放射体２０３の断面を示している。
　なお、第１実施形態において蛇腹構造の連続する方向に台形が連続して並ぶような構成としても、同様な効果が得られる。
　以上、本開示の実施形態について説明した。本開示の実施形態はこれに限定されるものではなく、改良・変形したものも本開示に含まれる。例えば、第２および第３実施形態以外にも放射体の形状を変更したものが考えられるが、放射体の表面積の増加および波長選択性の違いを利用した反射によって放射効率が向上するものであれば、本開示に含まれる。
　１，１０１，２０１　冷却装置
　２　　　　　　　　　収容部
　３，１０３，２０３　放射体
　３１　　　　　　　　ポリマー層
　３１１　　　　　　　誘電体粒子
　３１２　　　　　　　分散媒
　３２　　　　　　　　金属反射層
　３３　　　　　　　　谷部
　３４ａ，ｂ　　　　　谷部の向かい合う面
　３５　　　　　　　　山部
　４　　　　　　　　　熱交換チューブ
　５　　　　　　　　　大気の窓
　６　　　　　　　　　建物
　７　　　　　　　　　太陽光発電パネル
　１０　　　　　　　　冷却システム

Claims (8)

  1. 　特定波長の電磁波を選択的に放射可能であるとともに、表面に凹凸構造を有する放射体を備える、冷却装置。
  2. 　前記凹凸構造は、山部と谷部が所定方向に交互に連続して配置された構造であり、
    　前記谷部を構成するとともに対向する２つの面は、それぞれ異なる波長選択性を有する、請求項１に記載の冷却装置。
  3. 　前記凹凸構造は、山部と谷部が所定方向に交互に連続して配置された構造であり、
    　前記谷部を構成するとともに対向する２つの面は、同一の波長選択性を有し、
    　前記２つの面が前記所定方向に延びる面に対してなす角の大きさは同一であり、前記なす角の大きさは７５°以上９０°未満である、請求項１に記載の冷却装置。
  4. 　前記２つの面のうち少なくとも一方の面から放射される電磁波の波長は、大気の透過率がゼロより大きい波長領域を一部含む、請求項２または３に記載の冷却装置。
  5. 　前記２つの面から放射される電磁波の波長は、ともに大気の透過率がゼロより大きい波長領域を一部含む、請求項２～４のいずれかに記載の冷却装置。
  6. 　前記放射体は、ポリマー層と、前記ポリマー層に積層される金属反射層と、を有して構成され、
    　前記ポリマー層は、分散媒と、前記分散媒に分散される複数の誘電体粒子と、を有し、
    　前記誘電体粒子は、二酸化ケイ素、炭酸カルシウム、炭化ケイ素、酸化亜鉛、二酸化チタンおよびアルミナからなる群より選択される少なくとも１種からなる、請求項１～５のいずれかに記載の冷却装置。
  7. 　前記分散媒は、４－メチル－１－ペンテンポリマー、４－メチル－１－ペンテンコポリマー、ポリフッ化ビニルおよびポリエチレンテレフタレートからなる群より選択される少なくとも１種からなる、請求項６に記載の冷却装置。
  8. 　屋外に設置されるとともに、
    　前記放射体は、宇宙空間に向けて水平よりも上方に放射するよう設置される、請求項１～７のいずれかに記載の冷却装置。
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