開発秘話
これまでの放射冷却の研究
1993年、熱を使わずに霜と結露を予防するカーブミラーの開発を始めました。
目的は、結露と霜が付かないカーブミラーの開発です。その結果、対処療法ではなく放射冷却を理解し根本的な解決方法を見つけました。途中、研究の中断もありましたが研究期間は18年です。あるカーブミラーメーカーの営業の方からの「結露と霜が付かないカーブミラーを開発できませんか」という話から始まりました。
放射冷却による結露は、恒星の周りを回る大気と液体が存在する惑星ならどこでも起こりうる現象です。放射冷却は、惑星から宇宙空間へ熱を放射し地表面が冷却されることをいいます。恒星からの光が当たる部分で熱を受取り恒星の影になる部分で熱を放射します。この惑星の地表面に大気の層と液体がありその液体が気体と液体を行き来するとき結露します。単に地表付近だけの現象ではなく宇宙空間への熱の放射が原因なのです。
１．なぜ結露するのか
放射冷却により地表から赤外線が宇宙に向けて放射されるため地面が一番先に冷えます。地面だけでなくカーブミラーも宇宙に向かって赤外線を放射します。
空気の温度は地表ほど急速に低下しないため暖かい空気の中に放射冷却により冷えたミラーが存在します。急速に地表が冷やされることで気温も少し遅れて急速に低下します。
その時、相対湿度が100％に近くなります。空気中の水分が気体でいられない状態になります。その空気中に気温より少し冷えたミラーが存在すると露点以下となり結露します。
これがミラーの結露する理由です。
２．対処療法の種類
対処療法には３つの方法があります。
▼ 蓄熱材を入れる。
昼夜の気温が逆転すると蓄熱材入りミラーだけが結露する。
▼ ヒーターを入れる。
商用電源を引く必要がある。
▼ 光触媒を塗る。
結露はよいが霜になると見えなくなる。
３．３つの方式の発明
3.1. 結露予知方式
ヒーター方式の消費電力を小さくするため結露予知センサーを発明しました。
通常のヒーター方式は夜間連続してヒーターに通電しています。そのためバッテリーではもたず商用電源を引いています。そこで私が考えたヒーター方式は結露しそうになったときだけ通電するという方法です。結露してから通電していてはミラーが曇るので結露する直前に通電し結露を予防し結露の心配がなくなったらすぐに通電をやめる方法です。
まず、結露を予知する事から発明しなければなりません。結露しやすい材質や形状を実験により求めました。材質による差はあまりありませんでした。次に結露しやすいミラーを探して町中を歩き回りました。結露しはじめているミラーを観察してどの部分から結露が始まるのかを観察しました。その結果、放射冷却の特徴が分かってきました。
空に向いている面は遠赤外線をよく放射し地面に向いている面はあまり放射しません。これは温度差が関係します。空は宇宙空間が広がっており物質がありません。ということは温度が無いという事で絶対零度です。摂氏－273℃です。
そこで日中空の温度を放射温度計で計ってみました。青空を計ると－150℃です。白い雲を計ると－10℃でした。月面の日陰や人工衛星の日陰部分は－150℃と聞くので納得しました。空気中にはチリなどがあり絶対零度を表示しないのだと思います。
そこで結露予知センサーを開発しなければなりません。できた形が下の図です。
センサーの構造です。21は鏡です。21aはヒーターです。22は赤外線ＬＥＤと赤外線センサーです。
鏡が斜め上を向いています。これにより垂直に立っているカーブミラーよりも少し早く結露します。
センサー22が結露を関知したときヒーター21aとカーブミラーの裏面に貼ったヒーターを同時に通電し加熱します。センサーの鏡21の結露がとれたときカーブミラーのヒーターとセンサーヒーター21a両方の通電を止めます。これによりカーブミラーを結露寸前で加熱する事ができます。
実験により一晩で約1分の通電が5回ありました。気温が急激に下がるとき結露するのでそのような気温変化が一晩で5回あったということだと思います。
これが制御回路のブロック図です。
動作し結露を防ぐ事ができました。消費電力が少なく実用レベルですが対処療法です。
対処療法には必ず問題点が付いてきます。その問題点とはセンサーが汚れると正常に動作しなくなる点です。
この段階で製品化を断念しました。
3.2. 吸い込み方式
次に考えたのが空気吸い込み方式です。
ミラーよりも上空の遅れて冷える部分の空気をミラー内部に吸い込みミラー表面を暖めることで表面温度を周囲の気温以上に保つことが可能です。
相対湿度が100％近くになるのは日没付近ですから日没と同時にファンを回しミラー内部に空気を送り込みます。
今後問題になるのは空気を送る量と放射冷却の強さのバランスを考えてコスト計算することです。
最低1年間の実証試験が必要です。
こちらは原理図です。
23：電源用バッテリーを充電する太陽電池
22：空気をミラー内部へ送り込むファン
実験の結果
実験の結果です。これはまだフィルムカメラで撮った写真です。
Aは吸い込みのホースをミラー裏面に近づけすぎて一部だけ結露を予防できました。
Bはパイプの入れ方をくふうし全体の結露を予防する事ができました。これにより夜間1ｍ上の空気を吸い込めばカーブミラーの結露を予防する事ができることが分かりました。
しかし、まだ欠点があります。吸い込み口には穴があり虫や枯れ葉などが詰まる可能性があります。最低10年間メンテナンスフリーで動作させる必要があるのでこれも製品化は断念しました。
消費電力は0.1A×12時間＝1.2Ahでした。ヒータータイプと商品電力量はほぼ同じでした。目的が同じだと方式が違っても消費電力量は同じなのかなと思いました。
ここで行き詰まり研究を中断していました。
3.3. 攪拌方式
9年後、ふと気づきました。
もしかしたら吸い込み口が無くても露点以上に保つことができるかも知れないと思いました。
原理は、次のようになります。外気温が下がっていくときミラー内部にある空気は遅れて冷えると思いました。
ということは内部の空気とミラーの温度を馴染ませればミラーの温度を外気と同じくらいに保てるのではないかと思いました。
そして実験したところ、この写真のように霜も予防できました。
氷点下の気温の中霜も結露も発生せず朝を迎えました。
表面には水分が付着しないので気温が氷点下になっても結露や霜が付きません。
根本的な解決になりました。
装置の原理説明
日中、太陽電池で蓄電池を充電します。
日没から日の出までミラー内部のファンに電源を供給し内部の空気を撹拌します。
これでミラー表面を気温付近の温度と同じに保つ事ができました。
文章で書くとたったこれだけなのですが、この原理に気づくまで18年かかりました。
ただ放射冷却についてはよく理解したと思います。特許を検索する限り放射冷却に関する知識は付いたと思います。
これが実験用ミラーの内部です。制御はソフトウェアで決めています。
3.3.1. 露点予測方式
次に、量産した場合のコストダウンのための改良発明です。
消費電力をさらに小さくするためファンへ供給する電力を減らします。
そこで、必要なときだけ電源を供給する事にしました。
ミラーの温度を測定しながら露点を予測し露点を下回る前にファンを動作させる方式を考えました。結果的に上の図のように断続した電源供給になります。
露点を測定するには気温と湿度を測定する必要があります。温度は簡単に測れますが湿度を測定するのは面倒です。
そこで今回は放射冷却が発生して急激に気温が低下し相対湿度が100％に近くまで上昇するという特殊な条件である事から、ミラー表面の温度と外気温を測定するだけで露点を予測し制御する事ができると考えました。
3.3.2. 間欠運転
次に、ミラーを動作させるときに単に連続して電源を供給するのではなく、ONとOFFの比率を可変することにしました。
さらに節電するため、ONの時間連続して供給するのではなくONの波形の中をPWM制御しファンの回転数を落とさないように消費電力を減らす方法を考えました。
さらに節電するため、ONの時間連続して供給するのではなくONの波形の中をPWM制御しファンの回転数を落とさないように消費電力を減らす方法を考えました。
しかしデューティーを50%にすると、この写真のように完全に結露を予防する事ができませんでした。中心部分だけにしか効果がありませんでした。
そこで消費電力をそのままにして効率を上げる方法を考えました。なかなか執念深い性格です。
3.3.3. 整流板追加
少ない風量で流速を上げるためミラー内部に仕切り板を設ける事にしました。
ミラーと裏板の間にドーナツ型の板を設置します。
真ん中にファンを設置して周囲はミラーの直径より少し小さくして隙間を空けておきます。
ミラーから裏側へ空気を引くとドーナツ状の仕切り板の外周からミラー裏面へ空気が戻っていきます。空気が流れる断面積が約半分になるので流速が上がります。
さらに仕切り板をミラー裏面に近づけるとさらに断面積が小さくなり流速が上がります。
これによりファンの消費電力を増やさずにミラー裏面の空気の流速を上げます。流速が上がれば空気とミラーとの温度の馴染み方が濃くなり露点以上に保つ事ができます。
４．まとめ
ここまでが私の実験結果です。
最初にテーマを頂いたカーブミラーメーカーへ行き社長に会いました。社長は次の代に変わっており当時のことは知らなかったので事情を説明して理解していただきました。そして、「時間はかかりましたがやっと完成しました」と言ったところ「うちは公共事業への売上だから難しい物を作る必要がない」という回答でした。カーブミラーの予算は毎年決まっているので単価の高い物を売ると通常のミラーが売れなくなるとのことです。
日本には、カーブミラーメーカーが3社あります。
次に別のメーカーに行ったところ光触媒方式を採用し設備投資をしたのでその他の方式は不要とのことでした。
最後の１社へ行きました。そこはステンレスのミラーを作っています。社長に会い説明したところ「無償なら特許を使ってもよい」という返事でした。これで日本での需要がないことが確定しました。自社でカーブミラーメーカーになるつもりはないのでこの特許の価値がないことが確定しました。
18年という貴重な時間を無駄にしたような気がします。しかし、ここまで放射冷却を理解した人は他にいないのではないかと思い他に応用方法が無いか考えました。
ここまでは、放射冷却の中で冷えないようにする研究でした。冷えても良いのであれば住宅の室内を冷やしてみようと思い新たな研究を開始しました。そこから”そらテクノロジー”が始まりました。
この研究中に出願した特許
特許第4382870号
特許第4571706号
特開平08-209637
特開2002-105915
特開2010-255197
特開2011-127354
特開2011-231573