JP2019168174A

JP2019168174A - 放射冷却装置

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Publication number: JP2019168174A
Application number: JP2018056787A
Authority: JP
Inventors: 真大末光; Masahiro Suemitsu; 禎齋藤; Tei Saito
Original assignee: Osaka Gas Co Ltd
Current assignee: Osaka Gas Co Ltd
Priority date: 2018-03-23
Filing date: 2018-03-23
Publication date: 2019-10-03
Anticipated expiration: 2038-03-23
Also published as: JP7004597B2

Abstract

【課題】冷却能力の増大化を図ることができる放射冷却装置を提供する。【解決手段】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とが積層状態で設けられ、赤外放射層Ａが、厚さが０．０１５ｍｍ以上の酸化マグネシウムである。【選択図】図１

Description

本発明は、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に関する。

かかる放射冷却装置は、赤外放射層の放射面から放射される赤外光を大気の窓（例えば、波長が８〜１４μｍで大気の透過率が高い赤外波長帯域等）を通して透過させて、光反射層における赤外放射層の存在側とは反対側に位置する冷却対象を冷却する等、各種の冷却対象の冷却に用いられるものである。

ちなみに、光反射層は、赤外放射層を透過した光（可視光、紫外光、赤外光）を反射して放射面から放射させることにより、赤外放射層を透過した光（可視光、紫外光、赤外光）が冷却対象に投射されて、冷却対象が加温されることを回避することになる。
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。

このような放射冷却装置の第１の従来例として、赤外線放射層を、ＳｉＯ_２の層とＭｇＯの層とＳｉ₃Ｎ_４の層とからなる多層構成や、ガラス（光学ガラス）にて構成するようにしたものがある（例えば、特許文献１参照。）。
ちなみに、引用文献１には、赤外線放射層を、ＳｉＯ_２の層とＭｇＯの層とＳｉ₃Ｎ_４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。

放射冷却装置の第２の従来例として、赤外線放射層を、ＭｇＯの層とＳｉＯの層とからなる積層構成に構成したものがある（例えば、特許文献２参照。）。
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。

米国特許出願公開第２０１５／０３３８１７５号明細書特開平７‐１７４９１７号公報

放射冷却装置においては、日照下においても冷却能力を発揮する等、大きな冷却能力を発揮することが望まれるものである。
つまり、本発明者は、石英ガラス、石英、白板ガラス等のＳｉＯ_２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、ＳｉＯ_２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。

説明を加えると、例えば、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）における輻射率が大きいものであるから、白板ガラス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構成できるものである。
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。

本発明は、上記実情に鑑みて為されたものであって、その目的は、冷却能力の増大化を図ることができる放射冷却装置を提供する点にある。

本発明の放射冷却装置は、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ものであって、その特徴構成は、
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る点にある。

すなわち、本発明の発明者が鋭意研究した結果、赤外放射層を酸化マグネシウムとし、且つ、その厚さを、０．０１５ｍｍ以上にすれば、冷却能力の増大化を図れることを見出すに至った。

つまり、厚さが０．０１５ｍｍ以上の酸化マグネシウムは、８μｍ〜１４μｍの範囲の大気の窓に相当する波長での輻射率が高く、しかも、大気の窓を外れた大気からの輻射率の高い波長域の光はあまり吸収せずに反射することになるため、赤外放射層を、厚さが０．０１５ｍｍ以上の酸化マグネシウムにて構成することにより、冷却能力の増大化を図れることを見出すに至ったのである。

尚、第２の従来例において開示される等、従来においても、赤外放射層を構成するにあたり、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）の層を用いることが示されているが、例えば、第２の従来例の第３形態において、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）の層の厚さの合計値は、２１６０ｎｍ〜３０６０ｎｍの範囲であり、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）の層の厚さの合計値が０．０１５ｍｍよりもかなり小さいため、放射冷却能力の増大に寄与しないものである等、従来においては、赤外放射層を構成する酸化マグネシウムの厚さを、０．０１５ｍｍ以上にして、大きな冷却能力を得ることについては開示されていない。

要するに、本発明の放射冷却装置の特徴構成によれば、冷却能力の増大化を図ることができる。

本発明の放射冷却装置の更なる特徴構成は、前記赤外放射層の厚さが０．０４ｍｍ以上である点にある。

すなわち、厚さが０．０４ｍｍ以上の酸化マグネシウムは、８μｍ〜１４μｍの範囲の大気の窓に相当する波長での輻射率がかなり高く、しかも、大気の窓を外れた大気からの輻射率の高い波長域の光をあまり吸収せずに反射することになるため、大きな冷却能力を得られることを見出すに至ったのである。

要するに、本発明の放射冷却装置の更なる特徴構成によれば、大きな冷却能力を得ることができる。

本発明の放射冷却装置の更なる特徴構成は、前記赤外放射層の厚さが０．１ｍｍ以上である点にある。

すなわち、厚さが０．１ｍｍ以上の酸化マグネシウムは、８〜１４μｍの範囲の大気の窓に相当する波長での輻射率が十分に高く、しかも、大気の窓を外れた大気からの輻射率の高い波長域の光をあまり吸収せずに反射することになるため、一層大きな冷却能力を得られることを見出すに至ったのである。

要するに、本発明の放射冷却装置の更なる特徴構成によれば、一層大きな冷却能力を得ることができる。

本発明の放射冷却装置の更なる特徴構成は、前記赤外放射層の厚さが０．５ｍｍ〜１ｍｍである点にある。

すなわち、厚さが０．５ｍｍ〜１ｍｍの酸化マグネシウムは、８μｍ〜１４μｍの範囲の大気の窓に相当する波長域の大部分の範囲での輻射率が十分に高く、しかも、大気の窓を外れた大気からの輻射率の高い波長域の光をあまり吸収せずに反射することになるため、十分に大きな冷却能力を得られることを見出すに至ったのである。

要するに、本発明の放射冷却装置の更なる特徴構成によれば、十分に大きな冷却能力を得ることができる。

本発明の放射冷却装置の更なる特徴構成は、前記赤外放射層を基板として、前記光反射層が積層されている点にある。

すなわち、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更なる特徴構成によれば、全体構成の簡素化を図ることができる。

本発明の放射冷却装置の更なる特徴構成は、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、密着層が積層されている点にある。

すなわち、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更なる特徴構成によれば、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を示す図放射冷却装置の輻射率を示すグラフ大気の輻射強度を示すグラフ光反射層の構成を示す図光反射層の構成を示す図光反射層の構成を示す図光反射層の構成を示す図光反射層の構成を示す図光反射層の構成を示す図光反射層の構成を示す図紫外線反射多層膜の構成を示す図放射冷却装置の実施構成を示す図放射冷却装置の比較構成を示す図比較構成の放射冷却装置の輻射率を示すグラフ実施構成と比較構成との冷却能力を示すグラフ太陽光のエネルギーを示すグラフ放射冷却装置と外気の風との関係を説明する概略図対流伝熱が無い場合の実施構成の平衡温度を示す表対流伝熱が無い場合の比較施構成の平衡温度を示す表対流伝熱が有る場合の実施構成及び比較構成の平衡温度を示す表放射冷却装置の具体例を示す図放射冷却装置の別の具体例を示す図放射冷却装置の具体例における吸収率を示すグラフ

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
〔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。

従って、放射冷却装置ＣＰは、放射冷却装置ＣＰに入射した光Ｌのうちの一部の光（例えば、太陽光の一部の光等）を、赤外放射層Ａの放射面Ｈにて反射し、放射冷却装置ＣＰに入射した光Ｌのうちで赤外放射層Ａを透過した光（紫外光等）を、光反射層Ｂにて反射するように構成されている。
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。

そして、光反射層Ｂにおける赤外放射層Ａの存在側とは反対側に位置する冷却対象Ｄからの放射冷却装置ＣＰへの入熱（例えば、冷却対象Ｄからの熱伝導による入熱）を、赤外放射層Ａによって赤外線ＩＲに変換して放射することで、冷却対象Ｄを冷却するように構成されている。

赤外放射層Ａが、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）にて構成されている。
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。

光反射層Ｂは、厚さが３００ｎｍ程度の銀あるいは銀合金にて構成されている。
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。

本実施形態においては、光反射層Ｂが、厚さが３００ｎｍの銀にて構成されているものとして説明する。
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。

本実施形態の放射冷却装置ＣＰにおいては、赤外放射層Ａの厚さが０．０１５ｍｍ以上であり、好ましくは、厚さが０．０４ｍｍ以上であり、さらに好ましくは、厚さが０．１ｍｍ以上であり、最も好ましくは、厚さが０．５ｍｍ〜１ｍｍである。

図２には、厚さが３００ｎｍの光反射層Ｂと酸化マグネシウム（ＭｇＯ）の赤外放射層Ａとを備える放射冷却装置ＣＰにおいて、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）の厚さを変化させたときの夫々における光の輻射率の変化を示す。
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。

図２及び図３を考察すれば、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）は、波長が８〜１４μｍの大気の窓で大きな熱輻射を示し、また、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材料であることが分かる。
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。

したがって、赤外放射層Ａの厚さを、０．０１５ｍｍ以上にし、好ましくは、厚さを０．０４ｍｍ以上にし、さらに好ましくは、厚さを０．１ｍｍ以上にし、最も好ましくは、厚さを０．５ｍｍ〜１ｍｍにすることにより、大きな冷却能力を有する放射冷却装置ＣＰを構成できるのである。

〔光反射層の別形態〕
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。

この場合、第１層Ｂ１の厚さ（膜厚）を、３．３ｎｍよりも大きく且つ１００ｎｍ以下にし、好ましくは、第１層Ｂ１の厚さ（膜厚）を、５０ｎｍ以上で且つ１００ｎｍ以下にする。
また、第２層Ｂ２の厚さ（膜厚）を、１０ｎｍ以上にする。

「アルミ合金」としては、アルミに、銅、マンガン、ケイ素、マグネシウム、亜鉛、機械構造用炭素鋼、イットリウム、ランタン、ガドリニウム、テルビウムを添加した合金を用いることができる。

また、図４の構成を改良して、図５に示すように、第１層Ｂ１と第２層Ｂ２との間に、銀あるいは銀合金とアルミあるいはアルミ合金の合金化を防止する合金化防止透明層としての透明窒化膜Ｂｎを設ける形態や、図６に示すように、第１層Ｂ１と第２層Ｂ２との間に、合金化防止透明層としての透明酸化膜Ｂｓを設ける形態に構成してもよい。
透明窒化膜Ｂｎは、Ｓｉ_３Ｎ_４、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Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＴｉＯ_２、ＺｒＯ_２、ＨｆＯ_２、Ｎｂ_２Ｏ_５、Ｔａ_２Ｏ_５や、その他の酸化物を用いることができる。

さらに、図７に示すように、銀あるいは銀合金にて構成される光反射本体層ＢＨ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。
紫外線反射多層膜Ｂｕは、例えば、図１１に示すように、ＳｉＯ_２の層とＮｂ_２Ｏ_５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。

このように、紫外線反射多層膜Ｂｕを設ける形態としては、図８に示すように、第１層Ｂ１と第２層Ｂ２とを設ける図４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。
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。

〔放射冷却装置の考察〕
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。

つまり、赤外放射層Ａを厚さが１ｍｍの酸化マグネシウム（ＭｇＯ）とした本発明の放射冷装置ＣＰの冷却能力と、赤外放射層Ａを厚さが１ｍｍのテンパックスとした従来の放射冷装置ＣＰの冷却能力とを、外気温が３０℃、４０℃、５０℃の夫々について、対流伝熱、伝導伝熱を考慮せずに求めたところ、図１５で示す結果を得た。

尚、テンパックスは、白板ガラスの一例であるホウケイ酸ガラスであり、太陽光に対応する波長の光に対する反射率が高く、そして、図１４に示すように、大気の透過率が高い波長域（いわゆる、大気の窓である８〜１４μｍ）に相当する波長の輻射率が高い。但し、テンパックスは、大気の窓である８〜１４μｍの範囲よりも小さい波長域及び大気の窓である８〜１４μｍの範囲よりも大きい波長域での輻射率も高い。

図１５は、縦軸が放射冷却装置ＣＰの冷却能力を示し、横軸が放射冷却装置ＣＰの温度を示すものであり、本発明の放射冷装置ＣＰの冷却能力が零となる放射冷装置ＣＰの温度（平衡温度）は、外気温が３０℃、４０℃、５０℃のいずれにおいても、従来の放射冷装置ＣＰの冷却能力が零となる放射冷装置ＣＰの温度（平衡温度）よりも低くなる。

つまり、本発明の放射冷却装置ＣＰは、外気温が３０℃、４０℃、５０℃のいずれにおいても、従来の放射冷却装置ＣＰよりも低温まで冷却可能であることが分かる。
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。

放射冷却装置ＣＰの冷却能力は、下記式（数１）の通り定義した。

Ｐ_ｃｏｏｌ（Ｔ）は温度Ｔにおける放射冷却装置ＣＰの冷却能力、Ｐ_ｒａｄ（Ｔ）が温度Ｔにおける放射冷却装置ＣＰからの放射量（輻射量）、Ｐ_ｓｕｎが太陽光の入熱、Ｐ_ａｉｒ（Ｔ_ａｉｒ）が大気の熱輻射による入熱であり、Ｔ_ａｉｒは大気の温度である。
また、Ｐ_ｒａｄ（Ｔ）、Ｐ_ｓｕｎ、及び、Ｐ_ａｉｒ（Ｔ_ａｉｒ）の夫々を、下記式（数２）、式（数３）、式（数４）の通り定義する。

但し、ε_λが放射冷却装置ＣＰの放射率（輻射率）、Ｉ_ＢＢ（Ｔ）が温度Ｔの黒体輻射、Ａ_{ｃｏｏｌｅｒ.λ}が放射冷却装置ＣＰの光の吸収率、Ｉ_ｓｕｎが太陽スペクトル（太陽光のエネルギーの波長分布）、ε_ａｉｒ.λが大気の輻射率、λが波長である。
尚、太陽光のエネルギーと波長との関係を図１６に示す。

〔実使用環境を考慮した考察〕
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／ｍ^２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。

変化させた条件は、外気温と対流伝熱の値である。外気温は、３０℃、４０℃、５０℃とした。対流伝熱は、「対流伝熱のない場合」「平穏風（０−１ｍ／ｓ）」、「至軽風（１−３ｍ／ｓ）」、「軽風（４−６ｍ／ｓ）」の４種類の場合を仮定した。４種類の各場合の熱伝達係数（ｈ）の夫々は、０Ｗ／ｍ^２Ｋ、５Ｗ／ｍ^２Ｋ、１０Ｗ／ｍ^２Ｋ、１５Ｗ／ｍ^２Ｋである。
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。

平衡温度とは、Ｐ_ｃｏｏｌ（Ｔ）＝０となる温度のことである。
対流熱伝達も加味したＰ_ｃｏｏｌ（Ｔ）は、下記式（数５）で書き表される。

上記の計算方法により、放射冷却装置ＣＰ（放射冷却材料）の平衡温度を、外気温が３０℃で、熱伝達係数が「対流伝熱のない場合」に対応する０Ｗ／ｍ^２Ｋの条件として求めた結果を、図１８の表に示す。
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。

図１８の表から、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）の厚みが０．０１５ｍｍよりも厚いときに、放射冷却装置ＣＰ（放射冷却材料）の平衡温度が、３０℃より下がることが分かる。つまり、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）における酸化マグネシウム（ＭｇＯ）の厚さ（厚み）の下限は０．０１５ｍｍである。
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。

本発明の放射冷却装置ＣＰ（放射冷却材料）は、石英ガラス、石英、白板ガラス等のＳｉＯ_２からなる層を赤外放射層Ａに用いる従来の放射冷却装置ＣＰ（放射冷却材料）よりも冷却能力を増大させるものであるから、本発明の放射冷却装置ＣＰ（放射冷却材料）における酸化マグネシウム（ＭｇＯ）の好適な厚さを求めるために、本発明の放射冷却装置ＣＰ（放射冷却材料）の平衡温度と従来の放射冷却装置ＣＰ（放射冷却材料）の平衡温度とを比較する。

図１９の表は、図１８の表に示す結果を求めた条件と同じ条件で、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、ＳｉＯ_２の層にて構成される赤外放射層Ａの厚さ（厚み）を、０．０００５〜１０ｍｍに変化させて求めた平衡温度を示す。尚、ＳｉＯ_２の層が、石英であるとして求めている。

図１９の表に示すように、ＳｉＯ_２の層が石英である場合には、厚さが０．０１〜０．０２ｍｍのときに、平衡温度が１３℃程度となり、最も低くなる。
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。

この点を鑑みながら、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を用いる本発明の放射冷却装置ＣＰ（放射冷却材料）の平衡温度と、ＳｉＯ_２（石英）を用いる従来の放射冷却装置ＣＰ（放射冷却材料）の平衡温度とを、図１８の表と図１９の表とに基づいて比較すると、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）の厚みを、０．０４ｍｍ以上にすると、本発明の放射冷却装置ＣＰ（放射冷却材料）の平衡温度が、ＳｉＯ_２（石英）を用いる従来の放射冷却装置ＣＰ（放射冷却材料）の平衡温度よりも低くなることが分かる。

また、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）の厚みを、０．０５ｍｍ以上にすると、本発明の放射冷却装置ＣＰ（放射冷却材料）の平衡温度がさらに下がり、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）の厚みを、０．１ｍｍ以上にすると、本発明の放射冷却装置ＣＰ（放射冷却材料）の平衡温度が、ＳｉＯ_２（石英）を用いる従来の放射冷却装置ＣＰ（放射冷却材料）の平衡温度よりもかなり低くなり、さらに、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）の厚みを、０．５ｍｍ以上にすると、本発明の放射冷却装置ＣＰ（放射冷却材料）の平衡温度が最も低い温度（−１．９℃）になる。

したがって、本発明の放射冷却装置ＣＰ（放射冷却材料）における酸化マグネシウム（ＭｇＯ）の厚さは、０．０１５ｍｍ以上にすることがよく、好ましくは、０．０４ｍｍ以上にすることがよく、さらに好ましくは、０．１ｍｍ以上にすることがよく、最適には、０．５ｍｍ〜１ｍｍにすることがよい。

次に、外気温が３０℃、４０℃、５０℃の夫々において、熱伝達係数が「対流伝熱のない場合」に対応する０Ｗ／ｍ^２Ｋの条件、「平穏風（０−１ｍ／ｓ）」に対応する５Ｗ／ｍ^２Ｋの条件、「至軽風（１−３ｍ／ｓ）」に対応する１０Ｗ／ｍ^２Ｋの条件、及び、「軽風（４−６ｍ／ｓ）」に対応する１５Ｗ／ｍ^２Ｋの条件における平衡温度を、本発明の放射冷却装置ＣＰ（放射冷却材料）及び従来の放射冷却装置ＣＰ（放射冷却材料）について求めた結果を、図２０の表に示す。
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。

図２０の表には、従来の放射冷却装置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、ＳｉＯ_２の層にて構成される赤外放射層Ａの厚さ（厚み）を、機械強度が十分に担保できる１ｍｍとする場合の平衡温度と、光反射層Ｂを、厚さが３００ｎｍの銀とし、ＳｉＯ_２の層にて構成される赤外放射層Ａの厚さ（厚み）を、０．０１ｍｍとする場合の平衡温度とを記載する。
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。

図２０の表を考察すると、熱伝達係数が、０Ｗ／ｍ^２Ｋ、５Ｗ／ｍ^２Ｋ、１０Ｗ／ｍ^２Ｋ、１５Ｗ／ｍ^２Ｋのいずれの場合においても、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）の平衡温度が、ＳｉＯ_２を用いた従来の放射冷却装置ＣＰ（放射冷却材料）の平衡温度よりも低くなる。さらに特筆すべきことは、外気温（外気温度）が高い場合において、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）の冷却効果が、ＳｉＯ_２を用いた従来の放射冷却装置ＣＰ（放射冷却材料）と比較して大きくなることにある。

近年世界各地で熱波やヒートアイランドによる体温よりも高い気温の影響で多くの人命が失われているが、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）を屋外の無電源地における冷却技術に応用すると、多くの人命が救える可能性がある。
ここで、風が強い「軽風（４−６ｍ／ｓ）」（熱伝達係数：１５Ｗ／ｍ^２Ｋ）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。

しかしながら、近年世界各地で頻繁に発生する熱波やヒートアイランドといった問題は、一般に、無風状態のときに生じる。
無風状態に対応する「平穏風（０−１ｍ／ｓ）」（熱伝達係数：５Ｗ／ｍ^２Ｋ）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、ＳｉＯ_２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。

〔確認結果について〕
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。

放射冷却装置ＣＰ（放射冷却材料）として、図２１に示すように、光反射層Ｂを、厚さが３００ｎｍの銀とし、赤外放射層Ａを、厚さが０．５ｍｍの酸化マグネシウム（ＭｇＯ）とした第１試験体と、図２２に示すように、光反射層Ｂを、厚さが３００ｎｍの銀とし、赤外放射層Ａを、厚さが０．５ｍｍの酸化マグネシウム（ＭｇＯ）とし、且つ、赤外放射層Ａと光反射層Ｂとの間に密着層Ｅを配設した第２試験体とを作成した。
密着層Ｅは、Ａｌ_２Ｏ_３の３０ｎｍの層である銀密着層Ｅ１と、ＨｆＯ_２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、Ａｌ_２Ｏ_３とＭｇＯとの反応を防止する層である。

ちなみに、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）の基板上に金属膜を製膜する場合には、密着層Ｅが必要であると考えることができるが、実際は、密着層Ｅを設けなくても、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）の基板上に銀を製膜することができる。但し、密着層Ｅを設けた方が、長期的には良いと考えることができる。

第１試験体と第２試験体とについて実際に計測した吸収率、及び、第１試験体と第２試験体について計算した吸収率には、殆ど違いが生じなかったので、第２試験体についての結果を、代表として、図２３に示す。
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。

〔別実施形態〕
以下、別実施形態を列記する。
（１）上記実施形態では、赤外放射層Ａを基板として、光反射層Ｂを積層する場合を例示したが、赤外放射層Ａとは異なる他の基板に対して積層する形態で光反射層Ｂを形成して、赤外放射層Ａと光反射層Ｂとを重ね合わせる形態で積層してもよい。この場合、赤外放射層Ａと光反射層Ｂとの間に、伝熱可能であれば多少の隙間が存在してもよい。

（２）上記実施形態では、単結晶あるいは多結晶の酸化マグネシウム（ＭｇＯ）にて赤外放射層Ａを構成する場合を例示したが、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）は、単結晶あるいは多結晶よりも安価な焼結体でもよく、さらには、粉体状の酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を樹脂中に分散した塗料でもよい。

なお、上記実施形態（別実施形態を含む、以下同じ）で開示される構成は、矛盾が生じない限り、他の実施形態で開示される構成と組み合わせて適用することが可能であり、また、本明細書において開示された実施形態は例示であって、本発明の実施形態はこれに限定されず、本発明の目的を逸脱しない範囲内で適宜改変することが可能である。

Ａ赤外放射層
Ｂ光反射層
Ｅ密着層
Ｈ放射面

Claims

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。
前記赤外放射層を基板として、前記光反射層が積層されている請求項１〜４のいずれか１項に記載の放射冷却装置。
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、密着層が積層されている請求項５に記載の放射冷却装置。