CN107668868A - 红外辐射致冷伞 - Google Patents

Abstract

一种红外辐射致冷伞，包括睛雨两用伞、遮阳伞、沙滩伞和雨伞。在伞的外表面分层覆盖对阳光接近全反射的材料以及红外转化辐射致冷材料，组成降温冷却系统。所述系统由四层功能材料组成，从外向内分别为高密度聚乙烯层、红外转化及红外辐射层、高效率阳光反射层、与伞基体的粘接层。所述红外转化及红外辐射层，将热量转化为红外辐射，特别是转化为可通过大气红外辐射窗口的8到13微米红外线或18至32微米波长的红外线并辐射至太空；高密度聚乙烯将伞与上层空气隔离，并对下层材料起到保护作用，并减少周围空气对伞直接的热交换。

Description

红外辐射致冷伞

技术领域

本发明涉及一种红外辐射致冷伞，属生活用品技术领域。

背景技术

在炎热的夏季，伞可以起到遮阳的作用，特别是睛雨两用伞、遮阳伞、沙滩伞等主要功用就是遮阳。在阳光的直接照射下，伞面会因吸收阳光而升温，致使伞外表面的温度往往大幅度超过环境温度。伞面的高温及热量将通过热辐射的形式传导到伞下的被遮挡者，导致人感到闷热、出汗、不舒服甚至能引起中暑。尽管已有通过提高阳光反射率来减缓伞对太阳的吸收，但伞还是不断从阳光中获得热量导致热量的积累和温度的升高，不可能提供比环境温度更低的冷却方案。

近年来，一种新颖的制冷方式引起了人们的兴趣，并寄希望将该技术用于建筑物的无电冷却上。该制冷方式的原理为：根据普朗克黑体辐射定律，任何温度高于绝对零度的物体都会以电磁波的形式向外界辐射热能，物体由于向外辐射能量而导致自身温度降低，这就是辐射冷却。斯蒂芬-波尔兹曼指出，黑体的全辐射功率与它的绝对温度 4 次方成正比，据计算，1平方米的绝对黑体在300K时在全波段辐射出460W辐射能量。 如果该黑体只辐射而不从环境中吸收能量，该黑体将会以显著的速度降低温度。 在理论上，辐射冷却可以被用来开发出无需电能也不需要依赖外在能源制冷技术，这种技术就是辐射致冷技术。

目前，辐射致冷技术在解决两个最基本的问题后有了显著的进步。这两个问题是：第一，如何有效地将热量以红外辐射的方式发射出去；第二，实际的辐射致冷系统在向外界辐射热能的同时也在吸收热辐射及阳光照射。在夜间，致冷系统可能因为吸收环境中的辐射而降低效率；在白天阳光的照耀下，如果吸收的太阳及环境的热辐射大于其自身向外的热辐射，系统总效果将使本身温度升高，完全达不到制冷的目的，这意味着必需要有高效的反射系统，反射阳光及环境热辐射。

2014年，斯坦福大学Shanhui Fan教授研究小组在解决以上两个问题时取得了突破性进展，其工作发表在《Nature》 Vol 515, pp540–544 (27 November, 2014) 题目为“Passive radiative cooling below ambient air temperature under directsunlight”，文中用二氧化硅和二氧化铪两种材料的不同厚度的薄膜周期交替形成共七层的层状结构。这种层状结构不仅能够将高达97%的阳光反射，从而尽量避免由于受到日晒而升温，而且它可以通过辐射8-13微米波长的红外线向外界释放能量。8-13微米波长的红外线是一个大气的红外窗口，这一波段的红外线不会被大气层吸收，可直接到达温度更低的外太空。实验表明，即便在白天且处于太阳直射的情况下，这种层状结构仍然能够将覆盖在它下方的物体的温度比环境大气的温度还要低5摄氏度。本研究成果首次将即使在日光直射下的辐射制冷变成可能。科罗拉多大学的Xiaobo Yin等对Shanhui Fan的工作进行了改进，论文发表在2017年3月的《science》杂志上。他们在聚甲基戊烯（TPX)中掺入细小的二氧化硅微珠，把制成品拉成约50微米厚的薄片，再将背面镀上银，96%的太阳光就会被复合材料反射回去，同时，材料以红外特别是8-13微米的大气红外窗口向太空辐射出热能，其辐射制冷的功率大约为100W/M²。具体辐射功率随着昼夜循环以及阳光强度不同而有所不同。尽管已有人试着将此红外辐射致冷系统安装在建筑物的屋顶，希望起到降温节能的作用，但至今尚未有将红外辐射致冷原理用于伞的公开文献和报道。

发明内容

本发明的目的是，为降低在夏季中伞内外表面的温度，运用阳光全反射及红外辐射致冷技术，达到对伞本身降温制冷的目的，本发明公开一种红外辐射致冷伞。

本发明实现的技术方案如下，一种红外辐射致冷伞，包括但不限于睛雨两用伞、遮阳伞、沙滩伞、雨伞。在伞的外表面分层覆盖对阳光接近全反射的材料以及红外转化辐射致冷材料，组成降温冷却系统。该系统由四层功能材料组成，从顶向下分别为高密度聚乙烯（HDPE）层、红外转化及红外辐射层、高效率阳光反射层、与伞基体的粘接层。

所述红外转化及红外辐射层热量转化为红外辐射，特别是转化为可通过大气红外辐射窗口的8到13微米红外线或18至32微米波长的红外线并辐射至太空。高密度聚乙烯层将伞与上层空气隔离，并对下层材料起到保护作用，并减少周围空气对伞直接的热交换。

所述红外转化及红外辐射层由连续的且有红外转化及红外辐射功能的高分子材料以及镶嵌在其上的红外转化及红外辐射微粒组成。其中，红外转化及红外辐射功能的高分子材料包括但不限于聚氯乙烯（PVC)、聚氟乙烯（PVF)、聚4-甲基戊烯（TPX）等聚合物。红外转化及红外辐射微粒包括但不限于氧化钛（TiO₂）、ZnO、BaSO₄、MgO、LiF、ZrO₂、TiO₂、CdS、氧化硅、硼玻璃、玻璃、重钡火石玻璃、重镧火石玻璃等无机物的微粒或微珠。

所述红外转化及红外辐射层的材料组合中，由质量百分比85%-97%聚氟乙烯（PVF)薄膜上镶嵌了质量百分比3%-15%的纳微米的ZrO₂微珠为较佳组合，表现出较高的在8-10微米红外波段的红外辐射能力。

由质量百分比85%-97%聚氟乙烯（PVF)薄膜上镶嵌了质量百分比3%-15%的2-10微米的硼玻璃微珠、玻璃微珠或二氧化硅微珠的组合为较佳组合之一，其8-10微米红外波段的红外辐射能力较强。

由质量百分比85%-97%聚氯乙烯（PVC)镶嵌了质量百分比3%-15%的2-10微米的玻璃微珠或二氧化硅微珠的相应辐射为较佳组合之一，因其成本低廉且比此前报道的TPX中掺入细小的二氧化硅微珠体系要强。

所述高效率阳光反射层为镀银膜、镀铝膜或铝箔。三种材料中，铝箔反射能力稍差。其中镀银膜、镀铝膜有相近反射效果，但真空镀铝膜更廉价。

将此红外辐射致冷功能的沙滩伞贴上二维码，借助手机APP，可以实现红外辐射致冷伞共享。

在红外辐射致冷伞外表面加装太阳能板，用太阳能板通过电源控制器中对封装有锂电池等电池或超级电容器的充电宝充电，同时另在控制器中集成了GPS 模块、GSM 上网模块或WI-FEI上网模块以及带有唯一识别 ID 的物联网SIM卡，通过数据网络与服务器保持连接并获取指令，同时将位置信息和当前状态上报到云服务器，与二维码，手机APP结合可实现移动共享。

一种长柄尖头抛物面形聚焦红外辐射致冷伞，其伞面用全透明面料制作且伞面形状的制成抛物面形。结构与其它红外辐射致冷伞基本相同，从外向内分别为高密度聚乙烯（HDPE）层；红外转化及红外辐射层；高效率阳光反射层；与伞基体的粘接层，最内层是透明的伞面。特殊之处是要求制作伞的基体材料透明且粘接层薄而透明。本伞举起有红外辐射致冷作用，将之反过来插在地上并对着阳光，高效率阳光反射层中的银、铝膜又可以将阳光会聚在伞的抛物面的焦点上，将锅放在焦点处，聚焦的阳光可以对锅进行加热。如果将太阳能板放在焦点处，聚集的阳光强度更强，产生的库仑电量更多，对可充电电池的充电速度更快。

本发明的有益效果是：本发明将绝大多数阳光反射出表面避免了伞的热量累积。本发明采用连续的且有红外转化及红外辐射功能的高分子材料以及镶嵌在其上的红外转化及红外辐射微粒通过机理复杂的量子作用，将材料中的能量吸收并转化为红外辐射，该红外辐射的主要波段在8至13微米，可通过大气红外辐射窗口向太空辐射能量，从而对伞进行降温制冷并改善了人在伞下的舒服度。本发明因反射了绝大部分光线，避免了紫外线对人体的直射以及通过伞的透射。如果在伞面部分区域加装太阳能板，可获得因伞致冷而得的额外降温效果。如果在红外辐射致冷伞部分外表面加装太阳能板，用太阳能板对封装有锂电池或其它电池或超级电容器充电，可驱动GPS或者WI-FEI工作，与二维码，手机APP结合可方便查找附近的沙滩伞从而实现移动共享。酝发明特殊设计的抛物面形聚焦红外辐射致冷伞正立可以降温，如将伞反转以抛物面的方式对准阳光，可以聚焦阳光进行加热或提高太阳能电池的发电能力。

具体实施方式

实施例1

一种具有红外辐射致冷功能晴雨伞，其结构为，从伞最外表面向下分别为高密度聚乙烯（HDPE）层、红外转化及红外辐射层、镀银膜阳光反射层、与伞基体的粘接层。红外转化及红外辐射层由连续的且有红外转化及红外辐射功能的占本层总质量93%高分子材料聚氟乙烯（PVF)以及镶嵌在其上的占本层总质量7%平均粒径为8微米的红外转化及红外辐射氧化锆微珠组成。

本实施例晴雨伞可以将97%以上的阳光反射。同时，可将热量转化为红外辐射并通过大气红外辐射窗口的8到13微米红外线辐射至太空。在下午1点，阳光直射，华中地区，晴天，当气温为33.5度时，晴雨伞的外表面温度只有30.7度，低于环境温度。作为对比，同样面料的伞，但表面没有覆盖阳光反射及红外辐射致冷材料，在同一时间和地点其表面温度为47.6度。

实施例2

一种红外辐射致冷沙滩伞，其结构为，从伞最外表面向下分别为高透光高分子聚合材料高密度聚乙烯（HDPE）层、红外转化及红外辐射层、真空铝膜阳光反射层、与伞基体的粘接层。红外转化及红外辐射层由连续的且有红外转化及红外辐射功能的占本层总质量91.5%高分子材料聚氯乙烯（PVC)以及镶嵌在其上的占本层总质量8.5%平均粒径为8.6微米的红外转化及红外辐射玻璃微珠组成。

本实施例沙滩伞如果在红外辐射致冷伞部分外表面加装太阳能板，用太阳能板通过控制器对充电宝充电，并驱动GPS或者WI-FEI工作，与二维码，手机APP结合可方便查找附近的沙滩伞从而实现移动共享。

本实施例沙滩伞可以将96.4%以上的阳光反射，同时，可将热量转化为红外辐射并通过大气红外辐射窗口的8到13微米红外线辐射至太空。在下午1点，华中地区，晴天，阳光直射，当气温为35.7度时，沙滩伞的外表面温度只有32.6度，低于环境温度。作为对比，同样质地与型号的伞，但表面没有覆盖阳光反射及红外辐射致冷材料，在同一时间和地点及完全相同的环境，其表面温度为46.4度。

实施例3

一种长柄尖头抛物面形聚焦红外辐射致冷伞，其伞面用全透明面料制作且伞面形状的制成抛物面形。结构与其它红外辐射致冷伞基本相同，从顶向下分别为高密度聚乙烯（HDPE）层、红外转化及红外辐射层、高效率阳光反射层、与伞基体的粘接层，最下层是透明的伞面。

其中红外转化及红外辐射层由连续的且有红外转化及红外辐射功能且占本层总质量90%高分子材料聚氟乙烯（PVF)以及镶嵌在其上的占本层总质量10%平均粒径为7微米的红外转化及红外辐射硼玻璃微珠组成。所述致冷伞的基底材料为聚氨酯（TPU)，所述致冷伞在正立时可以将97%以上的阳光反射，同时，可将热量转化为红外辐射并通过大气红外辐射窗口的8到13微米红外线辐射至太空。在下午1点，华中地区，晴天，阳光直射，当气温为36.8度时，伞的外表面温度只有34.0度，低于环境温度。作为对比，同样的材质及型号的伞，表面没有覆盖阳光反射及红外辐射致冷材料，在同一时间和地点其表面温度为41.7度。将所述致冷伞反过来插在地上并对着阳光，高效率阳光反射层中的银膜又可以将阳光会聚在伞的抛物面的焦点上，将食物放在焦点处，聚焦的阳光可以对锅内进行加热。

Claims (8)

1.一种红外辐射致冷伞，包括睛雨两用伞、遮阳伞、沙滩伞和雨伞，其特征是：在伞的外表面分层覆盖对阳光接近全反射的材料以及红外转化辐射致冷材料，组成降温冷却系统；所述系统由四层功能材料组成，从外向内分别为高密度聚乙烯层、红外转化及红外辐射层、高效率阳光反射层、与伞基体的粘接层；所述红外转化及红外辐射层，将热量转化为红外辐射，特别是转化为可通过大气红外辐射窗口的8到13微米红外线或18至32微米波长的红外线并辐射至太空；；高密度聚乙烯将伞与上层空气隔离，并对下层材料起到保护作用，并减少周围空气对伞直接的热交换。

2.如权利要求1所述的红外辐射致冷伞，其特征是：所述的红外转化及红外辐射层由连续的且有红外转化及红外辐射功能的高分子材料以及镶嵌在其上的红外转化及红外辐射微粒组成；所述红外转化及红外辐射功能的高分子材料包括聚氯乙烯、聚氟乙烯、聚4-甲基戊烯聚合物；所述红外转化及红外辐射微粒包括氧化钛、ZnO、BaSO4、MgO、LiF、ZrO₂、TiO₂、CdS、氧化硅、硼玻璃、玻璃、重钡火石玻璃、重镧火石玻璃无机物的微粒或微珠。

3.如权利要求2所述的红外辐射致冷伞，其特征是：所述红外转化及红外辐射层的材料为镶嵌了ZrO₂微珠的聚氟乙烯膜，其质量百分比为聚氟乙烯85%-97%，ZrO₂微珠3%-15%。

4.如权利要求2所述的红外辐射致冷伞，其特征是：所述红外转化及红外辐射层的材料为镶嵌了2-10微米的硼玻璃微珠、玻璃微珠或二氧化硅微珠的聚氟乙烯膜；所述聚氟乙烯的质量百分比为85%-97%，所述硼玻璃微珠、玻璃微珠或二氧化硅微珠的质量百分比3%-15%。

5.如权利要求1所述的红外辐射致冷伞，其特征是：所述红外转化及红外辐射层的材料为镶嵌了2-10微米的硼玻璃微珠、玻璃微珠或二氧化硅微珠的聚氟乙烯膜；其中，所述聚氟乙烯的质量百分比为85%-97%，所述硼玻璃微珠、玻璃微珠或二氧化硅微珠的质量百分比为3%-15%。

6.如权利要求1所述的红外辐射致冷伞，其特征是：所述的高效率阳光反射层为镀银膜、镀铝膜或铝箔。

7.如权利要求1所述的红外辐射致冷伞，其特征是：在红外辐射致冷伞部分外表面加装太阳能板，用太阳能板通过控制器对封装有锂电池电池或超级电容器的充电宝充电，能驱动GPS或者WI-FEI工作，与二维码，手机APP结合实现移动共享。

8.如权利要求1所述的红外辐射致冷伞，其特征是：致冷伞面用全透明面料制作且伞面形状的制成抛物面形；将伞反过来插在地上并对着阳光，高效率阳光反射层中的银膜又可以透过伞面将阳光会聚在伞的抛物面的焦点上。