CN109945363B - 一种具有温度自适应性的辐射制冷系统及调控方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有温度自适应性的辐射制冷系统及调控方法，辐射制冷系统，包括透射盖板、辐射制冷板和制冷空间；透射盖板，为高透射性高分子材料层‑相变材料层‑高分子膜层的三层结构；或，为均一板体，板体的材质为相变材料与高分子材料的混合物；辐射制冷板位于透射盖板与制冷空间之间，且与透射盖板之间预留空气层。该制冷结构可以自动响应环境温度的变化，并完成辐射制冷系统的自动“开启”和“关闭”。

Description

一种具有温度自适应性的辐射制冷系统及调控方法
技术领域
本发明属于辐射制冷技术领域，具体涉及一种具有温度自适应性的辐射制冷系统及调控方法。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
目前开发出的高效日间辐射制冷装置，可以将热辐射直接透过8-13微米波段的“大气窗口”发射到宇宙空间，实现辐射制冷；这使得辐射制冷技术已经具有了明显的实用价值。其中，其中有技术(Nature.2014；515:540-4.)公开了利用7层二氧化铪(HfO2)和二氧化硅(SiO2)辐射体和银涂层反射体，成功的反射了97％的入射光，在光照强度850W/m2的情况下制冷功率达到40.1W/m2，并降温4.9℃。利用100微米聚二甲基硅氧烷(PDMS)、500微米二氧化硅和120纳米银涂层组成的三层结构实现了辐射制冷(ACS Photonics.2017；4:626-30)，其制冷降温在日间和夜晚分别达到8.2℃和8.4℃，制冷功率达127W/m2。或是采用真空封装的辐射制冷装置(Nat Co毫米un.2016；7:13729.)，24小时连续实验结果证明其平均降温温差和峰值分别达到37℃和42℃。或是采用辊压方法制备出含有随机分布的二氧化硅微球的高分子超材料薄膜，而后在薄膜的底部涂上一层纳米银即可实现辐射制冷(Science.2017；355:1062-6.)，该辐射制冷装置在直射阳光下的制冷功率达到93W/m2，且方便大规模制造与使用。
但以上辐射制冷系统的热辐射率是固定不变的，而当环境温度低到不再需要冷却时，如寒冷的冬天，用于建筑上的辐射制冷系统会继续工作，造成室内的温度过低，反而会增加供暖的能耗。
发明内容
针对上述现有辐射系统制冷无法自动调节的问题，本发明的目的是提供一种具有温度自适应性的辐射制冷系统及调控方法。该辐射制冷系统可以自动响应环境温度的变化，并完成辐射制冷过程的自动“开启”和“关闭”，且全程无需任何能量输入和反馈控制系统，可以极大地降低系统的复杂性和成本。
为了解决以上技术问题，本发明的技术方案为：
一种具有温度自适应性的辐射制冷系统，包括透射盖板、辐射制冷板和制冷空间；
透射盖板，为高透射性高分子材料层-相变材料层-高透射性高分子材料层的三层结构；
或，为均一板体，板体的材质为相变材料与高分子材料的复合材料；
辐射制冷板位于透射盖板与制冷空间之间，且与透射盖板之间预留空气层。
一种具有温度自适应性的辐射制冷调控方法，包括如下步骤：
当环境温度低于临界温度时，相变材料凝固，透射盖板的近红外和可见光光谱透射率降低，使得辐射制冷板发射的红外光无法通过透射盖板发射到太空中，关闭辐射制冷功能；
当环境温度升高至临界温度时，相变材料熔化，透射盖板的近红外波段和可见光光谱透射率升高，制冷板发射的红外光可以发射到太空中，实现辐射制冷。
本发明的有益效果为：
相变材料在相变前后的透射率有明显的变化，如有机相变材料中的石蜡，在固态时其近红外和可见光波段光谱透射率在2-5.4％，而液态石蜡在近红外波段和可见光波段光谱透射率在91％以上。当环境温度低于一定值时，相变材料凝固，近红外和可见光段的光谱透射率降低，辐射制冷板产生的红外辐射无法通过透射盖板进入太空，制冷功能关闭；当环境温度升高至一定值时，相变材料熔化，透射盖板的近红外波段和可见光波段的透射率升高，辐射制冷板的正常工作。因而，本发明的自适应辐射制冷系统可以根据环境温度自行调整制冷工作状态。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明实施例1的自适应辐射制冷系统的结构示意图；
图2为本发明实施例1高分子-石蜡-高分子三层结构“近红外透射开关”结构示意图；
图3为实施例1中辐射制冷板的结构示意图；
图4为十八烷在不同温度下的透光性照片，A、29℃，呈液态；B、19℃，呈固态。
图中，1、透射盖板，2、空气层，3、辐射制冷板，4、保温材料，5、制冷空间，6、第一高透射性高分子材料层，7、相变材料层，8、第二高透射性高分子材料层，9、PDMS膜，10、二氧化硅膜，11、纳米银镀膜。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
一种具有温度自适应性的辐射制冷结构，包括透射盖板、辐射制冷板和制冷空间；
透射盖板，为高透射性高分子材料层-相变材料层-高透射性高分子材料层的三层结构；
或，为均一板体，板体的材质为相变材料与高分子材料的混合物；
辐射制冷板位于透射盖板与制冷空间之间，且与透射盖板之间预留空气层。
在一些实施例中，所述高透射性高分子材料层的材质为PDMS(聚二甲基硅氧烷)、PE(聚乙烯)、PVC(聚氯乙烯)或PVF(聚氟乙烯)。高透射性材料确保辐射的高透过性，而不会产生吸热，影响制冷效果。
进一步的，所述高透射性高分子材料层的厚度为1-1000微米，相变材料层的厚度为1微米-10毫米。相变材料层的厚度影响对温度的响应灵敏性。
在一些实施例中，所述相变材料层的材质为石蜡。根据应用的温度选择不同相变温度的石蜡作为调控材料。
进一步的，所述石蜡的碳原子数为12-34，或为不同碳原子数的石蜡的混合物。
如图4所示，当石蜡的碳原子数为18时，相变点在25℃左右，当环境温度降低至石蜡的相变点以下时，石蜡凝固，透射盖板的光谱透射率降低，辐射制冷板产生的红外辐射无法通过透射盖板进入太空，制冷功能关闭。当环境的温度升高时，石蜡熔化，透射盖板的光谱透射率升高，辐射制冷板的制冷功能可以正常工作。采用该种方式，使得制冷空间处于较适宜的温度区间。
碳原子数为14的石蜡的相变点为5℃左右，碳原子数为34的石蜡的相变点为76℃左右，不同碳原子数的石蜡的混合物的相变点会根据混合比例发生变化，可以根据需要控制的温度，合理选择石蜡的种类或配比。
在一些实施例中，所述制冷空间的四周设置保温层。保温层可以有效防止制冷空间与外界环境发生热量交换，有利于保持制冷空间的温度。
在一些实施例中，当透射盖板为均一板体时，相变材料的质量分数为10％-80％，相变材料的质量比需要满足复合材料成型要求、盖板的强度要求、高温时的高透射性和低温时的低透射性。
在一些实施例中，所述辐射制冷板为二氧化硅-纳米银镀膜-PDMS复合结构，二氧化硅膜位于纳米银镀膜与PDMS膜之间。
由100微米的PDMS、500微米二氧化硅和120纳米银涂层构成的辐射制冷装置；其制备过程是在作为辐射体二氧化硅上，利用真空蒸发镀膜的方法完成纳米银镀膜；然后通过旋转涂敷的方法涂上PDMS，然后脱气处理10分钟，并在80℃下固化；最后将气凝胶对制冷板芯进行保温绝热处理，完成静态的辐射制冷装置搭建。
辐射制冷板还可以为其他形式的制冷板。
在一些实施例中，辐射制冷板与透射盖板之间预留的空气层的厚度为0.1-50毫米。
一种具有温度自适应性的辐射制冷调控方法，包括如下步骤：
当环境温度低于临界温度时，相变材料凝固，透射盖板的光谱透射率降低，辐射制冷板产生的红外辐射无法通过透射盖板进入太空，制冷功能关闭；
当环境温度升高至临界温度时，相变材料熔化，透射盖板的光谱透射率升高，辐射制冷板上的发出的近红外辐射可以透过盖板发射到太空中，制冷板可实现制冷。
实施例1
如图1和图2所示，一种具有温度自适应性的辐射制冷系统，包括透射盖板1、辐射制冷板3和制冷空间5；
透射盖板1，为高透射性高分子材料层6-相变材料层7-高分子膜层8的三层结构，高透射性高分子材料层6的材质为PDMS，厚度为10微米，相变材料层7的材质为石蜡，石蜡的碳原子数为18，相变材料层7的厚度为0.1毫米，高分子膜层8的材质为PDMS，厚度为10微米。
如图3所示，辐射制冷板3为二氧化硅-纳米银镀膜-PDMS复合结构，二氧化硅膜10位于纳米银镀膜11与PDMS膜9之间，PDMS膜9的厚度为100微米，二氧化硅膜10的厚度为500微米，纳米银镀膜11的厚度为120纳米。其制备过程是在作为辐射体二氧化硅上，利用真空蒸发镀膜的方法完成纳米银镀膜；然后通过旋转涂敷的方法涂上PDMS，然后脱气处理10分钟，并在80℃下固化；最后将气凝胶对制冷板芯进行保温绝热处理，完成静态的辐射制冷板的制备。
制冷空间5为一端开口的腔体，腔体的侧壁为保温材质，透射盖板1和辐射制冷板3设置于制冷空间5的开口处，辐射制冷板3位于透射盖板与制冷空间5之间，辐射制冷板3与透射盖板1之间的预留一定厚度的空气层2，空气层2的厚度为25毫米。
当外界环境的温度降至石蜡的凝固点时，透射盖板中的石蜡开始凝固，近红外和可见光段的光谱透射率降低，使得辐射制冷板发射的红外光无法通过透射盖板发射到太空中，关闭辐射制冷功能；当外界环境的温度升高时，透射盖板中的石蜡熔化为液态，近红外波段和可见光波段的光谱透射率升高，制冷板发射的红外光可以发射到太空中，实现辐射制冷。该种结构可以应用在建筑制冷，调节室内温度。
实施例2
一种具有温度自适应性的辐射制冷系统，包括透射盖板、辐射制冷板和制冷空间；
透射盖板，为均一板体，板体的材质为相变材料与高分子材料的混合物，相变材料为碳分子数为14的石蜡，高分子材料为PVC，相变材料的质量分数为50％。
辐射制冷板为二氧化硅-纳米银镀膜-PDMS复合结构，二氧化硅膜位于纳米银镀膜与PDMS膜之间，PDMS膜的厚度为100微米，二氧化硅膜的厚度为500微米，纳米银镀膜的厚度为120纳米。其制备过程是在作为辐射体二氧化硅上，利用真空蒸发镀膜的方法完成纳米银镀膜；然后通过旋转涂敷的方法涂上PDMS，然后脱气处理10分钟，并在80℃下固化；最后将气凝胶对制冷板芯进行保温绝热处理，完成静态的辐射制冷板的制备。
制冷空间为一端开口的腔体，腔体的侧壁为保温材质，透射盖板和辐射制冷板设置于制冷空间的开口处，辐射制冷板位于透射盖板与制冷空间之间，辐射制冷板与透射盖板之间的预留一定厚度的空气层，空气层的厚度为50毫米。
当外界环境的温度降至5℃时，透射盖板中的相变材料开始凝固，近红外和可见光段的光谱透射率降低，使得辐射制冷板发射的红外光无法通过透射盖板发射到太空中，关闭辐射制冷功能；当外界环境的温度升高到5℃以上时，透射盖板中的相变材料熔化为液态，光谱透射率升高，制冷板发射的红外光可以发射到太空中，实现辐射制冷。该结构可应用在建筑物的墙体上，在夏季对建筑进行冷却，而在寒冷的冬季关闭制冷功能，防止因辐射制冷而产生的供暖能耗。
实施例3
一种具有温度自适应性的辐射制冷系统，包括透射盖板、辐射制冷板和制冷空间；
透射盖板，为高透射性高分子材料层-相变材料层-高分子膜层的三层结构，高透射性高分子材料层的材质为PE，厚度为500微米，相变材料层的材质为石蜡，石蜡的碳原子数为34，相变材料层的厚度为5毫米，高分子膜层的材质为PDMS，厚度为500微米。
辐射制冷板为二氧化硅-纳米银镀膜-PDMS复合结构，二氧化硅膜位于纳米银镀膜与PDMS膜之间，PDMS膜的厚度为100微米，二氧化硅膜的厚度为500微米，纳米银镀膜的厚度为120纳米。其制备过程是在作为辐射体二氧化硅上，利用真空蒸发镀膜的方法完成纳米银镀膜；然后通过旋转涂敷的方法涂上PDMS，然后脱气处理10分钟，并在80℃下固化；最后将气凝胶对制冷板芯进行保温绝热处理，完成静态的辐射制冷板的制备。
制冷空间为一端开口的腔体，腔体的侧壁为保温材质，透射盖板和辐射制冷板设置于制冷空间的开口处，辐射制冷板位于透射盖板与制冷空间之间，辐射制冷板与透射盖板之间的预留一定厚度的空气层，空气层的厚度为10毫米。
当外界环境的温度降至76℃以下时，透射盖板中的相变材料开始凝固，近红外和可见光段的光谱透射率降低，使得辐射制冷板发射的红外光无法通过透射盖板发射到太空中，关闭辐射制冷功能；当外界环境的温度升高时，透射盖板中的相变材料熔化为液态，光谱透射率升高，制冷板发射的红外光可以发射到太空中，实现辐射制冷。使制冷系统在低于76℃时制冷功能自动关闭。该种结构可以应用在某些机械结构或化工反应设备中，需要保持设备维持在一个较高且相对稳定的温度，但要求温度过高时可以实现自动冷却。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种具有温度自适应性的辐射制冷系统，其特征在于：包括透射盖板、辐射制冷板和制冷空间；
透射盖板，为高透射性高分子材料层-相变材料层-高透射性高分子材料层的三层结构；
或，为均一板体，板体的材质为相变材料与高分子材料的复合材料；
辐射制冷板位于透射盖板与制冷空间之间，且与透射盖板之间预留空气层；
相变材料层的厚度为1微米-10毫米。
2.根据权利要求1所述的辐射制冷系统，其特征在于：所述高透射性高分子材料层的材质为PDMS、PE、PVC或PVF。
3.根据权利要求1所述的辐射制冷系统，其特征在于：所述高透射性高分子材料层的厚度为1-1000微米。
4.根据权利要求1所述的辐射制冷系统，其特征在于：所述相变材料层的材质为石蜡。
5.根据权利要求4所述的辐射制冷系统，其特征在于：所述石蜡的碳原子数为12-34，或为不同碳原子数的石蜡的混合物。
6.根据权利要求1所述的辐射制冷系统，其特征在于：所述制冷空间的四周设置保温层。
7.根据权利要求1所述的辐射制冷系统，其特征在于：当透射盖板为均一板体时，相变材料的质量分数为10％-80％。
8.根据权利要求1所述的辐射制冷系统，其特征在于：辐射制冷板与透射盖板之间预留的空气层的厚度为0.1-50毫米。
9.一种具有温度自适应性的辐射制冷调控方法，其特征在于：包括如下步骤：
当环境温度低于临界温度时，相变材料凝固，透射盖板的近红外和可见光光谱透射率降低，使得辐射制冷板发射的红外光无法通过透射盖板发射到太空中，辐射制冷功能关闭；
当环境温度升高至临界温度时，相变材料熔化，透射盖板的近红外波段和可见光光谱透射率升高，制冷板发射的红外光可以发射到太空中，实现辐射制冷。
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