(57)【要約】【課題】太陽光照射下の自動車ルーフパネルの温度上昇（＝自動車室内の温度上昇）を抑制する手段を提供する。【解決手段】自動車のルーフパネルの上面に、釣鐘型突起を多数、最密充填型配置で敷き詰めて、パネル表面積Ｓを、パネルの垂直方向投影の断面積Ｓｏの１．５倍から２倍程度に拡大し、且つ突起の表面形状を、突起表面を発した熱放射が空中に放出され易い回転二次曲面とすることによって、パネルの放射熱伝達のエネルギーを増大させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
パネルの上面に多数の突起を設けて、該パネルの表面積を、該パネルの垂直方向投影の断面積よりも大きくしたことを特徴とする自動車用のルーフパネル。
【請求項２】
前記パネルの上面に、回転二次曲面の表面形状の釣鐘型突起を、多数、格子状または最密充填型に配列して成ることを特徴とする、請求項１に記載の自動車用のルーフパネル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】本発明は、自動車室内の快適な温度環境を提供できる自動車の構造に関し、特に、炎天下における駐車時のルーフパネル温度上昇、およびそれに伴う室内温度上昇を抑制するための、自動車のルーフパネルの形状に関するものである。
【背景技術】
【０００２】自動車を長時間、直射日光の下に置くと、ルーフパネルが高温となり、これが室内温度上昇を招く。真夏の炎天下では、７０℃以上に達することがあり（特許文献１参照）、不快感が増して、自動車の利便性、快適性を損なっている。このような温度上昇の抑制は、自動車業界長年の課題であった。
【特許文献１】特開２００４−２１７９６（第５頁、第４５行）
【０００３】因みに、人間の皮膚組織の破壊は、７０℃ならば１秒、４５℃ならば１時間で発生すると言われている。また、触って、熱くも冷たくも感じない温度は、体温なみの３５℃程度である。これらが、自動車室内の温度環境改善の指標となる。【０００４】直射日光下の自動車室内温度上昇は、主に二つの経路を経て起こる。
一つは、窓ガラスを透過した太陽光により、室内備品（ダッシュボード、ハンドル、座席など）が放射加熱されて引起される室内空気の温度上昇であるが、この問題は、赤外線カットガラスの採用、駐車時のフロントマスク設置などの、入射太陽光の低減措置により、概ね解決されている。【０００５】しかしながら、今一つの経路−太陽光の熱放射がルーフパネルを加熱し、この高温のルーフが対流熱伝達、放射熱伝達によって室内備品、室内空気を加熱する経路−に由来する課題については、未だにこれといった有効な解決策が見出されていない。ルーフの上部空間に隙間を置いて遮光板を設置し、ルーフパネル温度の上昇を抑制する提案もあったが（特許文献２参照）、あまり有効でないらしく、普及していない。
【特許文献２】特開２００３−８０９５４
【０００６】また、赤外線を反射する塗装を施して、太陽光エネルギーの吸収を抑制する方式の、家屋の屋根などに適用される降温技術（例えば、非特許文献１参照）は、塗装色が特殊のため、デザインの自由度が優先される自動車への適用は困難である。
【非特許文献１】中井一寿ほか“遮熱塗装システムの開発”、塗装の研究、Ｎｏ．１４４  Ｏｃｔ．２００５
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】本発明は、太陽光照射下の自動車ルーフパネルの温度上昇を抑制する手段を提供しようとするものである。パネル温度上昇の抑制は、室内温度上昇の抑制につながるが、これは、ルーフパネルと室内備品、室内空気との間では十分な熱交換が行われるので、断熱材の有無によって温度上昇の速度に多少の違いがあるにせよ、それらの温度は略同じになる、という理由による。【０００８】そもそもルーフパネルの温度は、パネルに流入する、太陽光の単位時間当りエネルギーＰｓｕｎが、パネルの放射熱伝達としてパネル上方へ流出する単位時間当りエネルギーＰｒと、パネル上面の境界層（対流層）を通しての対流熱伝達として流出する単位時間当りエネルギーＰｃの和を凌駕して、パネルを加熱するとき、上昇を開始する。そして、ＰｒもＰｃも温度Ｔの増加関数なので、ＰｓｕｎとＰｒ＋Ｐｃの差は時間とともに減少し、
Ｐｓｕｎ＝Ｐｒ＋Ｐｃ                      （１）
となって、エネルギー収支０となったところで、ルーフパネルは平衡温度Ｔｂに達する。【０００９】太陽光の放射照度は天候や太陽位置によって変化するが、本発明の目的は、太陽光による地上放射照度が略最大となると予想される、晴天の日の、太陽が天頂にある状況でさえも、自動車の快適性を損なわないようにすることである。即ち、晴天の日の直上位置の太陽を仮定したときの、ルーフへの太陽光流入エネルギーＰｓｕｎによって到達した、ルーフパネルの平衡温度Ｔｂを、先述の目標温度指標まで下げることが本発明の課題である。
式１より、低い温度でもエネルギー流出が大きくなるように工夫すれば、低い平衡温度Ｔｂが達成されると予想される。即ちルーフパネルの温度上昇抑制を期待できる。本発明では特にルーフパネルの放射熱伝達のエネルギーＰｒの増大を目論む。【００１０】なお、式１では、パネル下面における放射熱伝達および対流熱伝達を無視したが、これは、ルーフパネル温度の上昇過程で、先述のように、パネルと室内空気、室内備品の間の温度差は小さく、対流熱伝達は極小、放射熱伝達は流入と流出が略同じということで、パネル下面におけるエネルギー収支はいつでも０とみなせるということが、理由である。
【課題を解決するための手段】
【００１１】本発明による自動車ルーフパネルの形状の典型例を図１に示す。
自動車１のルーフパネル２の外面に、拡大平面図−３、Ａ−Ａ’部の断面図−４に示すように、釣鐘型突起を多数敷き詰めて、パネル表面積（突起の曲面表面積と谷底面の面積の総和）を拡大し、突起のないときのパネル表面積の１．５倍から２倍程度に大きくしたことを特徴とするものである。以下に記すように、パネルの放射熱伝達Ｐｒ、対流熱伝達Ｐｃは、ともにパネル表面積に比例するので、このようなパネル表面積の拡大は、パネルからの流出エネルギーを増加させる。【００１２】絶対温度ＴＫのルーフパネルが外表面より空間に放出する単位時間、単位面積当り放射エネルギー（放射発散度）ＭＷ／ｍ２は、次のステファン・ボルツマンの法則に従う。
Ｍ（Ｔ）＝εδＴ４                        （２）
ここで、εは放射率で、図１のルーフパネルには塗装を施したので約０．９、また、δはステファン・ボルツマン定数で、５．６６９６×１０−８Ｗｍ−２Ｋ−４である。（非特許文献２参照）
然して、パネルの放射熱伝達としてパネル上方へ流出する（放射される）単位時間当りエネルギーＰｒは、パネル表面積Ｓｍ２に比例するので、
Ｐｒ＝ＳＭ（Ｔ）＝ＳεδＴ４              （３）
と表される。
【非特許文献２】照明学会編“ライティングハンドブック”ｐ１２（オーム社、１９８７）
【００１３】パネル上面の境界層を通して対流熱伝達として流出する単位時間当りエネルギーＰｃは、
Ｐｃ＝Ｓη（Ｔ−Ｔａ）                    （４）
と表され、ここでＴａは周囲温度（Ｋ）、ηは熱伝達率で、静止した空気中、１〜２５（Ｗｍ−２Ｋ−１）である。（非特許文献３参照）
【非特許文献３】竹内正雄“熱計算入門ＩＩ”ｐ９３（財団法人省エネルギーセンター、１９８８）
【００１４】一方、パネルに流入する、太陽光の単位時間当りエネルギーＰｓｕｎは、太陽光の、地上における放射照度Ｅｓｕｎに、ルーフパネル受光面積Ｓｏと吸収率μを乗じて得られる。
Ｐｓｕｎ＝ＳｏμＥｓｕｎ
そして、通常の塗装の放射率εと吸収率μは略等しいので、
Ｐｓｕｎ＝ＳｏεＥｓｕｎ                  （５）
となる。ここで、受光面積Ｓｏは、晴天のときの太陽光が平行光であるため、パネルの実際表面積ではなく、ルーフパネルを過ぎる光線束の、光線に垂直な断面の面積であることに留意する必要がある。太陽が天頂にあるとき、この受光面積Ｓｏは、図２に示すようなルーフパネル５の垂直方向（太陽光線７の方向）の投影断面積６に相当する。【００１５】さて、上述したように、このＰｓｕｎにＰｒ＋Ｐｃが等しくなったとき、ルーフ温度は平衡温度Ｔｂまで上昇し、安定する。即ち、ルーフ温度Ｔｂは、式１に式３、式４、式５を代入し、次式から求められる。
ＳｏεＥｓｕｎ＝Ｓ（εδＴ４＋η（Ｔ−Ｔａ））      （６）
この式を見れば、ＳをＳｏに対し大きくすれば、ルーフパネルの到達温度を低減できることが分かる。平行光照射の場合、熱放射面積Ｓと太陽光受光面積Ｓｏは異なること、多数の突起を設けてＳ＞Ｓｏとできること、これによってルーフパネル温度を低減できることに着目して成されたのが、本発明である。【００１６】このような発想は、本発明をもって嚆矢とする。周囲が熱放射体で囲まれていて、拡散光を受光する状態（例えば曇天の日、また、冷却対象がエンジンであるときのエンジンルーム）では、流入する放射エネルギーは実際面積Ｓに比例する。その場合、表面積を増やしても、放射エネルギーの流入、流出ともに増加する訳で、これが、従来、温度低減の手段としての表面積増加が省みられなかった理由である。
なお、対流熱伝達による流出エネルギーＰｃも、表面積Ｓの拡大によって増加する。これを利用するのが、所謂、放熱フィンによる表面積拡大であるが、自動車ルーフパネルにおいては、太陽光のエネルギーに比べ、対流熱伝達エネルギーの絶対値が小さく、対流熱伝達エネルギー低減によるルーフパネル温度の低減効果は限定される。【００１７】ところで、ルーフパネル上面に多数の突起を設けて、表面積を拡大し、パネルの放射熱伝達エネルギーの増加を図る場合には、面積比Ｓ／Ｓｏ以外にいま一つ考慮すべきパラメータがある。即ち、突起表面を発した光線が、隣接の突起にぶつかったとき、吸収されて、パネル外に放射されず、面積比拡大効果が減殺される、という現象である。パネルを発した放射の内、パネル外へ放出される放射の割合を“出射率”と呼ぶならば、突起付きパネルの放射熱伝達エネルギーの増加率は、面積比Ｓ／Ｓｏと出射率との積βとなる。このβを用いて、式６は次のように書き換えられる。
εＥｓｕｎ＝βＳ（εδＴ４＋η（Ｔ−Ｔａ））    （７）【００１８】具体的な数値的検討を進める。
先ず、備えるべき最大の放射照度は、晴天の日の、太陽位置が天頂位置にあるときと仮定し、このときの地上の放射照度Ｅｓｕｎを約１ＫＷ／ｍ２と仮定する。地球上、大気層入射前の、太陽光線に垂直な平面上の放射照度（太陽定数）は１３７０Ｗ／ｍ２であり、普通の晴天で、太陽が天頂にあるときの大気透過率は約０．７５であるから、（非特許文献４参照）Ｅｓｕｎ＝１３７０×０．７５≒１ＫＷ／ｍ２と計算される。
【非特許文献４】照明学会編“ライティングハンドブック”ｐ２０５（オーム社、１９８７）
【００１９】塗装パネルの放射率（＝吸収率）εは先述のとおり０．９、周囲温度Ｔａは、夏場の温度上昇が問題となることが多いと見て、３０℃を仮定する。そして、熱伝達率ηとしては、先述の文献値１〜２５（Ｗｍ−２Ｋ−１）の内、現状の自動車（β＝１）の夏場、太陽直射下（放射照度１ＫＷ／ｍ２）での到達ルーフ温度Ｔｂを６５℃と見て、この値を式６に代入して得られるηの値、１０Ｗｍ−２Ｋ−１を選択する。【００２０】これらの値を式７に代入すると、図３のグラフのような、突起付きパネルの放射熱伝達エネルギーの増加率βと到達ルーフパネル温度Ｔｂとの関係が得られる。このグラフを見るに、βを１．５程度とするならば、少し熱いと感じる程度（先述のように１時間かかって火傷する程度）の４５℃のルーフパネル最高温度を実現できる。また、βｏを１．９くらいとするならば、熱いとは感じない、人肌温度より低い３５℃を実現できる、とわかる。【００２１】放射熱伝達の増加率β、つまり面積比Ｓ／Ｓｏと放射光出射率の積は、突起の形状と並べ方によって異なるる。図４の表に、突起の種々の形状、配置のときの面積比Ｓ／Ｓｏ、出射率、および増加率βの計算結果を示す。Ｎｏ．１〜Ｎｏ．１０は、回転二次曲面から成る釣鐘型であり、曲面の開き具合４種（開き具合は二次曲線係数ＣＣで表せる。各形状を図５に表示。）、高さ２種（直径Ｄの１倍と半分）、配置方法２種（図６−８の格子状配置と、図６−９の最密充填配置）を組合わせて計算した。Ｎｏ．１１は四角錐（高さが幅Ｄの半分）の最密配置、Ｎｏ．１２は図７−１０のように半割円筒を並べたもの（かまぼこ型）、Ｎｏ．１３は図７−１１のように幅Ｄ＝高さの切妻屋根型である。
【発明の効果】
【００２２】図４の表を見るに、回転二次曲面から成る釣鐘型突起を並べたものが他よりも優れている、中でも回転放物面型突起を最密充填配置したものが高い放射熱伝達エネルギー増加率βを示している。そして、釣鐘型突起は高さが高いほど出射率が大きく、回転放物面型突起の最密充填配置の場合、増加率βは、高さＨ：直径Ｄ＝１：２にてβ＝１．５、１：１にてβ＝２に達する。【００２３】このようにルーフパネルの放射エネルギーを増加させるならば、図３より、前者のケース（高さＨ：直径Ｄ＝１：２の回転放物面型突起の最密充填配置）で、４５℃以下の平衡温度Ｔｂが達成される、とわかる。また、後者のケース（高さＨ：直径Ｄ＝１：１の回転放物面型突起の最密充填配置）で３５℃以下である。【００２４】先述のように、上記の平衡温度Ｔｂとは、晴天の日の直上の太陽で照射されたときのルーフパネル温度である。即ち、ルーフパネル上面に多数の適切な形状の突起を設置して、パネルの放射熱伝達を大きくすることにより、晴天の日の直上の太陽で照射されたときのルーフパネル温度を、安全に触れ得る温度、或いは触って熱いと感じない温度まで低減することができる。そして、パネル温度の低減は、自動車の室内温度低減につながり、自動車の利便性、快適性を増す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】直射太陽光の下にルーフパネルを暴露しても３５℃以上に昇温することはないようにした場合と、４５℃程度まで昇温することはあるが、ルーフパネルを安価に製造できる場合の、２実施例を以下に記す。
【実施例１】
【００２６】ルーフパネル上面に、最密充填配置の、高さＨ：直径Ｄ＝１：１の回転放物面型突起を設置する。下面は平面とする。このように背の高い突起を持つパネルは、鋳物にて製作可能である。自動車用のルーフパネルは軽量である必要があるから、アルミダイカストを使用する。また、突起の直径Ｄは１ｍｍΦ程度とし、パネル全厚を１．５ｍｍ程度に抑える。【００２７】凹凸のあるパネル上面には、通常の塗装を施す。放射率の小さい金属研磨面を指定したりして、自動車のデザインの自由度を制限しないのが、本発明の特長でもある。
【実施例２】
【００２８】ルーフパネル上面に、最密充填配置の、高さＨ：直径Ｄ＝１：２の回転放物面型突起を設置する。下面には、どの箇所も一定の肉厚となるよう、上面突起に相対する凹部を設ける。図８に示す、このような両面凹凸の形状で、直径Ｄが高さＨの半分と背の低い突起であれば、安価な鋼板のプレスにて製作可能である。０．５ｍｍの肉厚の鋼板を使用する場合、５ｍｍΦ程度の突起の直径Ｄが適当である。【００２９】図８のようなパネル下面の表面積増大は、自動車室内への放射熱伝達の増加をもたらす。しかし、これは室内温度の上昇速度を速めるだけで、パネルの平衡温度には影響せず、支障をきたさない。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明による自動車用ルーフパネルの実施形態を示す模式図。
【図２】“垂直方向投影の断面積”を説明する模式図。
【図３】ルーフパネル平衡温度Ｔｂと放射熱伝達増加率βの関係を表すグラフ。
【図４】諸種パネル表面形状の放射熱伝達増加率βの計算結果を示す表。
【図５】計算対称となった二次曲面突起の断面形状を比較する図。
【図６】突起の配置方法を示す模式図。
【図７】かまぼこ型および切妻型の突起を並べて成るパネルの模式図。
【図８】両面凹凸の形状のパネルの模式図。
【符号の説明】
【００３１】１      自動車
２      ルーフパネル
３      ルーフパネル拡大図
４      ルーフパネル断面図
５      突起付きルーフパネル
６      ルーフパネルの垂直方向投影の断面積
７      太陽光の光線
８      格子状配置
９      最密充填型配置
１０    かまぼこ型パネル
１１    切妻屋根型パネル
１２    両面凹凸の形状の断面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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