辐射冷却结构和系统技术方案

本发明专利技术提供了聚合物基的选择性辐射冷却结构，该辐射冷却结构包括聚合物或聚合物基复合材料的选择性发射层。典型选择性辐射冷却结构采取薄片、膜或涂层的形式。本发明专利技术还提供了使用聚合物基的选择性辐射冷却结构通过选择性热辐射从主体去除热量的方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】辐射冷却结构和系统相关申请的交叉引用本申请要求美国临时专利申请号62/456540(2017年2月8日提交)和美国申请号15/056680(2016年2月29日提交)的权益，其各通过不抵触范围的引用结合于此。关于联邦资助研发声明本专利技术根据能源部的高级研究计划局—能源(ARPA-E)授予的授权号DE-AR0000580以政府支持进行。政府在本专利技术中具有某些权利。
技术介绍
辐射冷却的特点是从物体或表面采取热辐射形式释放热量，由此降低物体或表面的温度，或者当工作在稳态时将其温度保持在相对较低的基准。从非零温度表面所发射的热辐射(单位为开)具有取决于表面温度的连续波长或频谱；由接近室温的物体所发射的热辐射的大部分处于电磁谱的(一个或多个)红外区域中。波长选择性辐射冷却装置能够优先在所选的电磁谱波长范围内发射热辐射。例如，选择性辐射冷却装置可优先在与“大气窗口”(又称作“大气透射窗口”或“大气透明窗口”)对应的波长发射红外辐射。地球的大气在这些“窗口”波长范围、例如在7–13μm和16-30μm几乎是非吸收的。在美国专利2289809、3043112、3671286、4586350和7503971以及美国专利申请公布US2010/0155043和US2015/0131023中描述了用于红外辐射的发射的辐射冷却装置的示例。
技术实现思路
在一些方面，本公开涉及聚合物基的选择性辐射冷却结构，该辐射冷却结构包括聚合物或者聚合物基复合材料的波长选择性发射层。典型的波长选择性辐射冷却结构采取薄片、膜或涂层的形式，并且能够被看作是提供辐射冷却的表面。聚合物基的辐射冷却结构能够在白天或夜间使用。在其他方面，本公开涉及使用聚合物基的波长选择性辐射冷却结构通过选择性辐射从主体去除热量的方法。另外，本公开涉及聚合物基的辐射冷却结构的制造方法。与无机多层光学涂层相比，用于本文所述辐射冷却的聚合物基的解决方案成本更低、更为有效和/或更易于生产并按应用的大小规模来集成。在一些实施例中，波长选择性辐射冷却结构限制太阳能的吸收。图1示出并且比较了15℃下的黑体穿过大气透射窗口的太阳光谱(AM1.5)和热辐射谱。在两个谱之间存在大功率密度失配，与经穿过大气透射窗口的热辐射的潜在自然冷却相比，来自太阳光谱的发热量相对较大。在其他实施例中，选择性辐射冷却结构使一个或多个大气透射窗口中的红外辐射最大化。在实施例中，本文所述的选择性辐射冷却结构在室温下在日间、夜间或两者期间提供了大于100W/m2的辐射冷却功率。还可选择不同的实施例使得在室温下的冷却功率在日间、夜间或两者期间处于50至150W/m2、20至40W/m2、40至60W/m2、60至80W/m2、80至100W/m2、100至120W/m2、120至140W/m2或140至160W/m2的范围中。在实施例中，冷却功率是在-100℃至500℃的温度范围内测量的。在一示例中，是在15℃的温度下测量冷却功率的。在一示例中，采用入射到辐射冷却结构的直接阳光的890W/m2的等效体来测量太阳辐射热通量。但是，在实施例中，辐射冷却结构因其波长选择特性而反射大部分的阳光，由此产生100W/m2的净冷却。上述实施例的元件可针对要冷却的不同核心温度的物体适当选择，使其冷却功率调整到预期范围。表面温度越高则辐射冷却功率越高。例如，对50℃的表面温度冷却功率能够超过200W/m2。一些实施例能够在大于300℃的温度下工作。诸如风力、冷凝和云之类的气候条件也可能影响冷却功率。在本公开的一个方面，波长选择性辐射冷却结构透射(或反射)太阳辐射，穿过大气透射窗口发射红外辐射，并且包括选择性发射层。在实施例中，波长选择性辐射冷却结构的选择性发射层还透射太阳辐射和发射红外辐射。通过将待冷却主体与选择性辐射冷却结构进行热连通，这类辐射冷却结构能够应用于太阳能电池、窗户、屋顶、天花板和其他对象的冷却。窗户、屋顶和天花板可以是运输系统(例如汽车)或建筑物结构(例如房屋)和温室的组成部分。通过将波长选择性辐射冷却结构与热量交换介质(例如流体或者热量交换器)进行热连通，辐射冷却结构还能够应用于热量交换系统上。在一些实施例中，波长选择性辐射冷却结构的特征在于对一个或多个大气透射窗口的平均发射率为0.5至1。作为示例，对波长范围7μm至14μm、波长范围7μm至13μm、波长范围16μm至30μm或者其组合，平均发射率的范围为0.5至1。在附加实施例中，应用于更窄的波长范围，例如从8μm至12μm或者从17μm至25μm。作为附加示例，对所选波长范围发射率为0.6至1.0、0.7至1.0、0.8至1、0.9至1、0.95至1或者大于0.95至1。在一实施例中，平均发射率是对所关注的波长范围求平均的半球发射率。在附加实施例中，波长选择性辐射冷却结构的特征在于对太阳光谱的所选波长范围从0至0.2的低平均吸收率。作为附加示例，对所选波长范围的吸收率为0.15至0、0.1至0、0.05至0或者小于0.05。图1示出作为AM1.5太阳辐照度波长的函数的辐照度。在实施例中，吸收率是对0.3μm至5μm或者0.3μm至3μm波长段的太阳光谱求平均。在实施例中，选择性发射层包括聚合物层或者聚合物复合层，其透射太阳辐射并发射红外辐射。在实施例中，聚合物层具有低太阳能吸收，例如，在300nm至5000nm范围内的太阳能的吸收平均小于20％、小于或等于15％、小于或等于10或者小于或等于5％，其中下限为0。在其他实施例中，该层可透射超过80％、大于或等于85％、大于或等于90％或者大于或等于95％的入射太阳光，其中上限为100％。在其他实施例中，聚合物层具有5μm至50μm范围的高红外吸收率(发射率)，例如0.6至1、0.7至1、0.8至1、0.9至1、0.95至1或者大于0.95至1。在实施例中，聚合物具有大气窗口中的一个或多个吸收带，并且从0.3至3μm没有呈现显著的太阳能吸收。适当聚合物包括但不限于聚烯烃、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚甲基戊烯(PMP，又称作4-甲基戊烯-1和聚(4-甲基-1-戊烯))、聚乙烯(PE)、聚苯乙烯(PS)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚碳酸酯(PC)、聚四氟乙烯(PTFE)、其组合以及其共聚物。聚甲基戊烯是作为TPXTM(三井化学公司)市场销售的。TPXTM的基本单体是聚(4-甲基-1-戊烯)，但TPXTM包括聚(4-甲基-1-戊烯)与α-烯烃，例如1-戊烯、1-己烯和1-辛烯的共聚物(FinkJ.，HandbookofEngineeringandSpecialtyThermoplastics，PolyolefinsandStyrenics，2010，Scrivener，第109-111页)。图2示出作为聚合物20薄片的发射层5的示意图。在实施例中，聚合物薄片或者聚合物基质层的厚度可以是5μm至3毫米或以上、从5μm至1mm、从5μm至500μm、从5μm至100μm、从10μm至3mm、从100μm至750μm、从100μm至1000μm、从200μm至750μm、从250μm至500μm或者从500μm至1000μm。在实施例中，选择性辐射冷却结构包括其中包含聚合物的选择性发射层，其中选择性辐射冷却结构本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种选择性辐射冷却结构，该结构包括选择性发射层，包括聚合物和分散在该聚合物中的多个介电粒子，所述选择性发射层中的所述介电粒子的体积百分比范围从1％至25％，并且所述粒子的特征在于其平均尺寸为3μm至30μm，其中所述选择性辐射冷却结构的特征在于对波长范围7μm至14μm的辐射具有从0.5至1.0的平均发射率。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.02.29 US 15/056,680;2017.02.08 US 62/456,5401.一种选择性辐射冷却结构，该结构包括选择性发射层，包括聚合物和分散在该聚合物中的多个介电粒子，所述选择性发射层中的所述介电粒子的体积百分比范围从1％至25％，并且所述粒子的特征在于其平均尺寸为3μm至30μm，其中所述选择性辐射冷却结构的特征在于对波长范围7μm至14μm的辐射具有从0.5至1.0的平均发射率。2.如权利要求1所述的选择性辐射冷却结构，其中，所述结构采取薄片的形式。3.如权利要求1所述的选择性辐射冷却结构，其中，所述选择性辐射冷却结构在-100℃至500℃的工作温度下提供从50W/m2至150W/m2的辐射热通量。4.如权利要求1所述的选择性辐射冷却结构，其中，介电粒子的特征在于其平均尺寸为3μm至15μm。5.如权利要求1所述的选择性辐射冷却结构，其中，所述介电粒子从由二氧化硅(SiO2)、碳酸钙(CaCO3)、碳化硅(SiC)、氧化锌(ZnO)、二氧化钛(TiO2)和氧化铝(Al2O3)所组成的组分中选取。6.如权利要求1所述的选择性辐射冷却结构，其中，所述聚合物从由4-甲基-1-戊烯聚合物、4-甲基-1-戊烯共聚物、聚氟乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯和TPXTM所组成的组分中选取。7.如权利要求1所述的选择性辐射冷却结构，其中选择性发射层的特征在于具有从10μm至3mm的平均厚度。8.如权利要求1所述的选择性辐射冷却结构，其中，所述选择性辐射冷却结构还包括一层能透射太阳能且耐候的保护膜。9.如权利要求1所述的选择性辐射冷却结构，其中，选择性辐射冷却结构的特征在于对波长范围为0.3μm至3μm的太阳能的吸收率为0至0.2。10.如权利要求1所述的选择性辐射冷却结构，还包括与所述选择性发射层相接触的太阳能反射层，该太阳能反射层包括金属膜或金属衬底，其中所述选择性发射层的特征在于对波长范围为7μm至14μm的太阳能的发射率为0.5至1.0，以及所述选择性辐射冷却结构的特征在于对波长范围0.3μm至3μm的太阳能的反射率为0.8至1。11.如权利要求10所述的选择性辐射冷却结构，其中，所述金属膜的特征在于其平均厚度为20纳米至1000纳米。12.如权利要求1所述的选择性辐射冷却结构，其中，所述粒子的特征在于其平均有效直径从3μm至30μm的范围中选择。13.一种通过选择性热辐射从主体去除热量的方法，所述方法包括下列步骤：a.将选择性辐射冷却结构放置成与所述主体的表面进行热连通，该选择性辐射冷却结构包括含有聚合物的选择性发射层，其中该选择性发射层...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨荣贵，尹晓波，谭刚，赵东亮，马耀光，翟耀，
申请(专利权)人：科罗拉多大学董事会，怀俄明大学，
类型：发明
国别省市：美国,US