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摘 要：本论文将对白天低于周围环境温度的放射冷却材料的冷却原理进行说明，同时对设计制作本材料，并成功在日本夏季海平面地带的阳光直射下发挥性能这一结果进行介绍。此外，结合实证试验的结果，阐明辐射冷却材料各种应用的效果。最后，探讨该材料的可能性。
关键字：辐射冷却材料、冷却原理、冷却性能、辐射冷却材料的应用、SPACECOOL
为了缓和全球变暖、尊重人权、实现IoE（Internet of Everything）社会，防暑措施变得日趋重要。从缓和全球变暖的角度来看，由于位于炎热地区的新兴国家收入水平提高，预计到2050年，全球空调设备将比2018年增加约3倍，这将创造相当于日本、美国和欧洲当前总发电量的能源需求，因此减少空调能耗愈发重要。从尊重人权的角度来看，随着SDGs理念的传播，未来将更加需要建立一个劳动者不会中暑的安全舒适的多样化工作环境。从实现IoE社会的角度来看，随着连接到互联网的设备数量急速增加，未来或将通过提高设备的可靠性来降低维护频率。由于可以通过降低设备温度来提高设备的可靠性和寿命，因此冷却措施十分重要。
随着防暑措施日趋重要，近年来在阳光直射下随周围环境被动降低温度的“辐射冷却材料”作为解决方案之一备受关注。这种材料利用所谓的“辐射冷却现象”，将热量转化为大气透过率高的波段8-13μm（大气窗口）的热辐射，并将其释放到宇宙空间，该材料最早见于2014年斯坦福大学的一个小组报告，随后以美国为中心盛行。辐射冷却现象随着空气中水蒸气量的减少和海拔高度的增加而变强。当满足这两个条件时，大气窗口波段变宽，随之大气的透过率增高，更容易向宇宙空间释放热量。
大阪瓦斯自2017年以来一直致力于辐射冷却材料的开发。当时的先行研究大多是在旱季、沙漠地区（空气中水蒸气估量：2-5g/m3）和海拔约600m的台地等有利于实现辐射冷却现象的条件下进行实证的。此外，许多测试是在阳光强度较弱的秋冬季节进行的，此时来自太阳光的热量较少，因此白天容易冷却至环境温度以下。如上所述，先行研究的测试条件导致白天容易冷却至环境温度以下，据大阪瓦斯调查，截至2017年，尚未有研究证实在日本的夏季和东南亚地区等炎热潮湿环境中的效果。
本论文将对白天低于周围环境温度的放射冷却材料的冷却原理进行说明，同时对设计制作本材料，并成功在日本夏季海平面地带的阳光直射下发挥性能这一结果进行介绍。此外，结合实证试验的结果，阐明辐射冷却材料各种应用的效果。最后，探讨该材料的可能性。
下文将对辐射冷却材料在阳光直射下变得低于周围环境温度的原理进行说明。在天气预报中听到的辐射冷却现象，是指物体的热量以热辐射（红外线）的形式发散到低至-270℃的宇宙空间，从而物体本身的温度低于周围温度的现象，众所周知，这是夜间汽车前挡玻璃等表面结霜的原因。但是，对于一般材料，当阳光照射时，来自太阳能和变暖大气热辐射的热量大于辐射冷却释放的热量，因此白天很难降温。
大阪瓦斯开发的“辐射冷却材料”通过使材料的辐射冷却向宇宙空间释放的热量，大于吸收来自太阳光和大气热辐射的热量，从而使白天的冷却成为可能。下文将对为了获得此特性材料所需的辐射率光谱进行说明。
图1显示了太阳光光谱（AM1.5G）和部分大气透过率光谱（为避免与太阳光光谱重叠导致绘图变得复杂，仅采用4μm以上的长波长部分），以及辐射冷却材料的理想辐射率光谱。大气透过率较高的8-13μm波段一般被称为“大气窗口”。从地球表面发射的热辐射中，大气窗口波段的热辐射不被大气吸收，而是释放到-270℃的极低温宇宙空间。为了将热量释放到宇宙空间，需要使该大气窗口波段的辐射率接近100%。
此外，为了实现白天降温，需要尽可能地不吸收而是反射太阳光光谱所分布的波段（0.3-4μm）内的光，以抑制吸收来自太阳光的热量。根据基尔霍夫定律，在热平衡状态下，辐射率和吸收率相等，因此需要设计在太阳光光谱分布的波段内辐射率接近0%、反射率接近100%的材料。由于大气在透过率较低的波段发出大量的热辐射，为了抑制吸收来自大气热辐射的热量，需要在大气透过率较低的波段（6～8μm，13μm以上）降低材料的辐射率（=吸收率）。此外，出于保密原因，材料的具体设计和构造无法在此公布。
图1 辐射冷却材料的理想发射率光谱（实线）、太阳光光谱（AM1.5G，橙色）、部分大气透过率光谱（仅显示大于4μm的波长，浅蓝色）。大气透过率光谱为晴空下海拔4000米处的值。
本节将介绍大阪瓦斯开发的SPACECOOL®的性能。如图2A所示，测试是在大阪市此花区的一栋两层楼房的屋顶上进行的。测试系统如图2B所示。为了最小化阳光对测试系统的热影响，测试系统由玻璃白板制成。测试样品由玻璃支架支撑，放置在带有开放顶棚的玻璃白板容器中，顶棚表面覆盖聚乙烯薄膜来消除风对流传热的影响。此外，聚乙烯具有透过大气窗口红外线的性能，因此不会干扰辐射冷却现象。通过将具有小热容量的薄膜测温电阻连接到样品的接地侧来获取温度。
2017年9月1日-3日的测试结果如图2C所示。本测试对辐射冷却材料、不锈钢（SUS）板和涂有太阳光反射涂料（用于降低建筑物外墙温度的涂料）的SUS板进行比较。辐射冷却材料由SiO2和B2O3组成的无机材料辐射层和由Ag和Al组成的太阳能反射层相结合，实现了>95%的太阳光反射率和>95%的大气窗口热辐射率。如图2C中橙色所示，这三天的日照强度在正午时分约为1000W/m2，天气均为晴天。此外，白天空气中的水蒸气含量约为13g/m3，夜间约为15g/m3。样品的背面温度如图所示。白天的环境气温（浅蓝色线）在32-35℃左右，而SUS的温度（灰色线）在白天最高升至近80℃。涂有太阳能反射涂料的SUS板（蓝色线）的温度在白天最高升至近45℃。不同于上述结果，辐射冷却材料（红色线）在这三天内总是比外部气温低2-5℃，与太阳光反射涂料相比，正午前后的温度要低10-15℃。如果在低湿度或高海拔地区进行同样的测试，预计将获得比图2C更强的冷却效果。
图2 辐射冷却材料的评估。A）测量外观。B）测量系统的细节。C）实证结果。
图3是大阪瓦斯开发的高柔性片状辐射冷却材料SPACECOOL®的外观图。图2C所示的测试结果中，使用的是由无机材料制作的辐射冷却材料，不具有柔性，而膜状辐射冷却材料同样具有>95%的太阳光反射率和>95%的大气窗口热辐射率，表现出与无机材料相同的辐射冷却性能。片状辐射冷却材料由树脂材料制成，具有光学多层结构。该材料包括两种类型：图3A所示的带有粘合剂的薄膜型和图3B所示的帆布型（帐篷材质），可以通过粘贴、缝合、热层压等方式赋予任意物体以辐射冷却性能。
图3 大阪瓦斯开发的片状辐射冷却材料SPACECOOL®的外观。
A）带粘合剂的辐射冷却膜。有哑光银和白色两种类型。B）辐射冷却帆布。