具有增强的选择性红外发射的辐射制冷结构制造技术

本发明专利技术提供了一种辐射制冷结构，该辐射制冷结构可使用基于溶液的工艺来制造，并且为日间辐射制冷提供了极大的红外选择性，其涉及太阳光谱内的低吸收率和大气透射窗口(8

【技术实现步骤摘要】
具有增强的选择性红外发射的辐射制冷结构


[0001]本专利技术涉及一种辐射制冷结构，更具体地涉及一种具有增强的选择性红外发射的辐射制冷结构及其制造方法。

技术介绍

[0002]辐射制冷通过从表面或物体发出的热辐射比从周围环境吸收的热能更大，使其散热并降温。因此，这种表面或物体被称为辐射制冷器。从接近室温的表面发出的大部分热能是红外(IR)辐射，一些红外辐射可通过所谓的“大气窗口”散发到外太空，在“大气窗口”内，辐射可穿过大气而很少被吸收。由于外太空具有约3K的极低温度，因此只有少量的来自太空的能量被地球上的表面或物体吸收，而大量更强的热能会通过大气窗口发出；因此，如果其它热量传递到发射器的能力较弱，则可实现净制冷。辐射制冷器的净制冷功率Pnet可被计算如下。
[0003]Pnet(Tr,Tamb,Tatm)＝Pr(Tr)
‑
Patm(Tatm)
‑
Psun
‑
Pcond(Tr,Tamb)
‑
Pconv(Tr,Tamb)
[0004]其中，T
r
、T
amb
和T
atm
分别是辐射制冷器表面、环境和大气的有效温度。P
net
是制冷器的净制冷功率。P
r
是制冷器发出的热功率。P
atm
是从大气吸收的辐射功率，P
sun
是吸收的太阳辐射，而P
cond
和P
conv
是制冷器和环境之间的传导传热速率和对流传热速率。
[0005]为了提高净制冷功率，应使Pr最大化，同时使P
atm
和P
sun
最小化。基于这一原理，已开发出具有高太阳辐射(0.3
‑
2.5μm)反射率和高红外(2.5
‑
25μm)发射率(吸收率)的红外制冷器。
[0006]然而，具有高透射率的大气窗口主要存在于8
‑
13μm内，特别是在高湿度地区。其它红外区域的强发射率将限制温度的进一步降低。为了使制冷性能最大化，较好的辐射制冷器应提供优越的红外选择性，即，仅在8
‑
13μm处具有高发射率(也称辐射率)，而在其它波长区域内具有高反射率。
[0007]在过去的十年中，已经进行了大量关于白天辐射制冷的研究。因此，更好的的红外选择性对于实现大幅度的温度降低是必不可少的，尤其是在高湿度下。尽管已经提出了一些具有良好红外选择性的制冷器，但它们的结构通常过于复杂，无法满足大规模应用的要求。迄今为止，只有少数具有较差的红外选择性的制冷器能实现了大规模制造。
[0008]此外，在户外工作并长时间暴露于日光下的辐射制冷器也需要优异的抗紫外线性。这些现有的可扩展结构通常在制冷层中包含聚合物，以同时实现高红外发射率和太阳光透射率。然而，对于聚合物材料而言，紫外线降解是不可避免的。
[0009]两个美国专利申请US20170350121A1和US20190086164A1提出了用于辐射制冷的可扩展的辐射制冷器结构。然而，它们的设计重点不是提高红外选择性，并且在它们的设计中同样采用了聚合物。
[0010]因此，需要一种消除或至少减少上述缺点和问题的改进的辐射制冷结构。

技术实现思路

[0011]本文提供了一种辐射制冷结构，其包括：反射层；陶瓷红外(红外)选择性发射层，其在8μm至13μm的波长区域内具有平均发射率；陶瓷发射增强层，其包含单层陶瓷颗粒，用于增强辐射制冷结构在波长区域内的整体发射率，从而提高辐射制冷结构的制冷功率；其中，陶瓷红外选择性发射层布置在反射层和陶瓷发射增强层之间。
[0012]在某些实施例中，陶瓷红外选择性发射层包括第一硅基陶瓷材料；以及每个陶瓷颗粒包括第二硅基陶瓷材料。
[0013]在某些实施例中，第一硅基陶瓷材料是二氧化硅(SiO2)、氮化硅(Si3N4)或氮氧化硅SiO
x
N
y
；以及第二硅基陶瓷材料是SiO2、Si3N4或SiO
x
N
y
。
[0014]在某些实施例中，SiO
x
N
y
中的x在0.1和2之间；以及SiO
x
N
y
中的y在0.1和2之间。
[0015]在某些实施例中，陶瓷颗粒通过化学粘结、物理粘结或者化学粘结和物理粘结的组合而粘结到陶瓷红外选择性发射层。
[0016]在某些实施例中，单层陶瓷颗粒具有紧密堆积结构，其中，陶瓷颗粒被紧密堆积。
[0017]在某些实施例中，单层陶瓷颗粒具有非紧密堆积结构，其中，陶瓷颗粒以平均颗粒间距被堆积。
[0018]在某些实施例中，平均颗粒间距是陶瓷颗粒的平均粒径的0.5至1.5倍。
[0019]在某些实施例中，每个陶瓷颗粒是实心的或空心的。
[0020]在某些实施例中，单层陶瓷颗粒通过朗缪尔－布劳杰特(Langmuir
‑
Blodgett)(LB)方法或喷涂形成。
[0021]在某些实施例中，平均发射率在0.5和1之间。
[0022]在某些实施例中，反射层在0.3μm至2.5μm的太阳波长区域内具有0.95至1的平均反射率。
[0023]在某些实施例中，辐射制冷结构还包括陶瓷粘结层，该陶瓷粘结层布置在陶瓷红外选择性发射层和陶瓷发射增强层之间，使得陶瓷颗粒通过化学粘结、物理粘结或者化学粘结和物理粘结的组合而粘结到陶瓷粘结层。
[0024]在某些实施例中，陶瓷粘结层包括第三硅基材料，并且具有0.1μm至2μm的厚度。
[0025]在某些实施例中，辐射制冷结构还包括陶瓷保护层，该陶瓷保护层布置在陶瓷粘结层和陶瓷红外选择性发射层之间，用于保护陶瓷红外选择性发射层。
[0026]在某些实施例中，陶瓷红外选择性发射层是具有厚度为1μm至5μm的氮氧化硅(SiO
x
N
y
)层，用于避免在波长区域之外的红外发射；以及每个陶瓷颗粒是硅基颗粒并且具有1μm至3μm的粒径，使得单层陶瓷颗粒能够避免在波长区域之外的红外发射，从而提高辐射制冷结构的制冷功率。
[0027]在某些实施例中，陶瓷红外选择性发射层是厚度为1μm至5μm的SiO
x
N
y
层，用于避免在波长区域之外的红外发射；单层陶瓷颗粒具有紧密堆积结构，其中，陶瓷颗粒被紧密堆积，每个陶瓷颗粒是SiO2颗粒并且具有1μm至3μm的粒径，使得单层陶瓷颗粒能够避免在波长区域之外的红外发射，从而提高辐射制冷结构的制冷功率；以及陶瓷粘结层是具有厚度为0.1μm至2μm的SiO2层。
[0028]本文提供了一种用于去除从主体的热量的方法，该方法包括：将上述辐射制冷结构定位成与主体的表面热连通；将热量从主体传递到辐射制冷结构；以及从陶瓷红外选择
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种辐射制冷结构，包括：反射层；陶瓷红外选择性发射层，其在8μm至13μm的波长区域内具有平均发射率；以及陶瓷发射增强层，其包括单层陶瓷颗粒，用于增强所述辐射制冷结构在所述波长区域内的整体发射率，从而提高所述辐射制冷结构的制冷功率；其中，所述陶瓷红外选择性发射层布置在所述反射层和所述陶瓷发射增强层之间。2.根据权利要求1所述的辐射制冷结构，其中，所述陶瓷红外选择性发射层包括第一硅基陶瓷材料；以及每个陶瓷颗粒包括第二硅基陶瓷材料。3.根据权利要求2所述的辐射制冷结构，其中，所述第一硅基陶瓷材料是二氧化硅(SiO2)、氮化硅(Si3N4)或氮氧化硅(SiO
x
N
y
)；以及所述第二硅基陶瓷材料是SiO2、Si3N4或SiO
x
N
y
。4.根据权利要求3所述的辐射制冷结构，其中，SiO
x
N
y
中的x在0.1和2之间；以及SiO
x
N
y
中的y在0.1和2之间。5.根据权利要求1所述的辐射制冷结构，其中，所述陶瓷颗粒通过化学粘结、物理粘结或者化学粘结和物理粘结的组合而粘结到所述陶瓷红外选择性发射层。6.根据权利要求1所述的辐射制冷结构，其中，所述单层陶瓷颗粒具有紧密堆积结构，其中，所述陶瓷颗粒被紧密堆积。7.根据权利要求1所述的辐射制冷结构，其中，所述单层陶瓷颗粒具有非紧密堆积结构，其中，所述陶瓷颗粒以平均颗粒间距被堆积。8.根据权利要求7所述的辐射制冷结构，其中，所述平均颗粒间距是所述陶瓷颗粒的平均粒径的0.5至1.5倍。9.根据权利要求1所述的辐射制冷结构，其中，每个陶瓷颗粒是实心的或空心的。10.根据权利要求1所述的辐射制冷结构，其中，所述单层陶瓷颗粒通过朗缪尔－布劳杰特(LB)方法或喷涂形成。11.根据权利要求1所述的辐射制冷结构，其中，所述平均发射率在0.5和1之间。12.根据权利要求1所述的辐射制冷结构，其中，所述反射层在0.3μm至2.5μm的太阳波长区域内具有0.95至1的平均反射率。13.根据权利要求1所述的辐射制冷结构，还包括陶瓷粘结层，所述陶瓷粘结层布置在所述陶...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄宝陵，林崇佳，
申请(专利权)人：香港科技大学，
类型：发明
国别省市：