CN113513858B - 具有增强的选择性红外发射的辐射制冷结构 - Google Patents
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Abstract
本发明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(8‑13微米)内的高发射率。该结构包括反射层、陶瓷红外选择性发射层和陶瓷发射增强层，并且陶瓷发射增强层能够增强辐射制冷结构在大气透射窗口内的整体发射率并避免在大气透射窗口之外的红外发射。红外选择性有助于更大程度地降低温度，特别是在高湿度地区。
Description
技术领域
本发明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。
背景技术
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。
Pnet(Tr,Tamb,Tatm)＝Pr(Tr)-Patm(Tatm)-Psun-Pcond(Tr,Tamb)-Pconv(Tr,Tamb)
其中，Tr、Tamb和Tatm分别是辐射制冷器表面、环境和大气的有效温度。Pnet是制冷器的净制冷功率。Pr是制冷器发出的热功率。Patm是从大气吸收的辐射功率，Psun是吸收的太阳辐射，而Pcond和Pconv是制冷器和环境之间的传导传热速率和对流传热速率。
为了提高净制冷功率，应使Pr最大化，同时使Patm和Psun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。
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。
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。
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。
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。
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。
发明内容
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。
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。
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SiOxNy；以及第二硅基陶瓷材料是SiO2、Si3N4或SiOxNy。
在某些实施例中，SiOxNy中的x在0.1和2之间；以及SiOxNy中的y在0.1和2之间。
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。
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。
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。
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。
在某些实施例中，每个陶瓷颗粒是实心的或空心的。
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。
在某些实施例中，平均发射率在0.5和1之间。
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。
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。
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。
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。
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(SiOxNy)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。
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SiOxNy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。
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性发射层和陶瓷发射增强层辐射热量，从而去除从主体的热量。
本文提供了一种用于制造上述辐射制冷结构的方法，该方法包括：提供反射层；在反射层上形成陶瓷红外选择性发射层；以及通过LB方法或喷涂在陶瓷红外选择发射层上形成陶瓷发射增强层。
本文提供了一种用于制造上述辐射制冷结构的方法，该方法包括：提供反射层；在反射层上形成陶瓷红外选择性发射层；在陶瓷红外选择性发射层上形成陶瓷粘结层；以及通过LB方法或喷涂在陶瓷粘结层上形成陶瓷发射增强层。
本发明内容的提供是为了以简化形式介绍一些概念，这些概念将在下面的详细描述中被进一步描述。本发明内容既不旨在标识所要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不旨在用于帮助确定所要求保护的主题的范围。如下文的实施例所示，公开了本发明的其它方面。
附图说明
附图中，相同的附图标记指代相同或功能上相似的元件，附图包含某些实施例附图，以进一步示出和阐明本发明的上述和其它方面、优点和特征。将理解的是，这些附图描绘了本发明的实施例，而无意于限制其范围。通过使用随附的附图，将以附加的特异性和细节来描述和解释本发明，其中：
图1示出了不同区域中的大气的透射光谱。
图2示出了描绘根据本公开的某些实施例的辐射制冷结构的示意图；
图3示出了描绘根据本公开的某些实施例的无机红外选择性辐射制冷器的示意图；
图4A示出了在紧密堆积结构下具有不同直径的二氧化硅球的单层的红外发射光谱；
图4B示出了在颗粒间距(即从一个颗粒的表面到另一个颗粒的表面的距离)为直径的0.5倍的非紧密堆积结构下具有不同直径的二氧化硅球的单层的红外发射光谱；
图4C示出了在颗粒间距为直径的1倍的非紧密堆积结构下具有不同直径的二氧化硅球的单层的红外发射光谱；
图4D示出了在颗粒间距为直径的1.5倍的非紧密堆积结构下具有不同直径的二氧化硅球的单层红外发射光谱；
图5A示出了具有不同厚度的SiOxNy层的红外发射光谱；
图5B示出了在紧密堆积结构下具有不同直径的二氧化硅球的单层的红外发射光谱；
图6示出了根据本公开的某些实施例的无机红外选择性辐射制冷器的归一化辐射功率与波长的关系；
图7A示出了根据示例1的红外选择性发射层上的具有SiO2球的单层的扫描电子显微镜(SEM)图像；
图7B示出了示例1的无机红外选择性辐射制冷器的热发射率与波长的关系；
图8示出了在香港的高湿度地区中没有陶瓷发射增强层(对照样品)和具有陶瓷发射增强层(示例1)的两个无机红外选择性辐射制冷器的温度；以及
图9是描绘根据本公开的某些实施例的用于制造辐射制冷结构的方法的流程图。
技术人员将理解，附图中的元件是为了简单和清楚而示出的，并不一定按比例描绘。
具体实施方式
如本文在说明书和所附权利要求书中所使用的，术语“避免”或“避免了”是指部分或完全地排除、避免、消除、预防、停止、阻碍或延迟术语“避免”或“避免了”之后的结果或现象的任何方法。术语“避免”或“避免了”并不意味着它一定是绝对的，而是有效地用于为在术语“避免”或“避免了”之后的结果或现象提供某种程度的避免或防止或减轻。
如本文在说明书和所附权利要求书中所使用的，术语“单层”是指由多个颗粒组成并且厚度只有一颗粒厚的层。
对于本领域技术人员将显而易见的是，在不脱离本发明的范围和精神的情况下，可进行包括增加和/或替换的修改。可省略具体细节，以免模糊本发明；然而，撰写本公开是为了使本领域技术人员能够在不进行过多实验的情况下实践本文的教导。
本公开提供了一种辐射制冷结构，其提供了红外选择性并且通过全无机结构和可扩展的基于溶液的制造工艺来实现。因此，有效解决实际应用中的上述问题。
本辐射制冷结构解决常规日间辐射制冷器的问题，例如，可扩展性差、成本高、寿命短、在高湿度下的制冷性能差。因此，本公开提供了一种溶液处理的具有极大的红外选择性和优异的长期抗紫外线性的辐射制冷器，由于其全无机成分，因此具有极大的可扩展制造的能力。
本公开的某些实施例提供了一种辐射制冷器，其包括无机太阳反射层、陶瓷红外选择性发射层以及陶瓷发射增强层。还可在陶瓷红外选择性发射层和陶瓷发射增强层之间设置保护层和粘结层。
本公开的某些实施例提供了一种红外选择性辐射制冷器，其主要在大气窗口(8至13微米之间)内具有高发射率，而在其它波长区域内具有高反射率，这对于实现优异的制冷性能至关重要，特别是在高湿度地区。该制冷器包括一个陶瓷层，与其它波长区域相比，该陶瓷层具有8和13微米之间的相对较大的吸光系数。陶瓷红外选择性发射层可以是SiO2层、SiN层或复合陶瓷SiOxNy层。厚度的精确控制对于获得极大的红外选择性很重要。陶瓷层的厚度优选地小于10微米，并取决于所使用的陶瓷材料的成分。该制冷器可通过如旋涂、喷涂和漆涂等溶液工艺来制造。
本公开的某些实施例提供了沉积在红外选择性制冷器的顶部上的基于颗粒的发射增强层。一个陶瓷层用作红外选择性制冷器，可在天窗口中提供高达约80％的发射率，但该值很难被进一步提高，因为要控制其厚度以保持红外选择性，并且由于吸光系数较大而存在一些表面反射。因此，提出了这种仅包含单层陶瓷颗粒的发射增强层，以通过形成梯度折射率亚波长结构来抑制表面反射，然后进一步提高在8-13μm内的发射率，同时保持该区域之外的高反射率。由适当尺寸的适当材料引起的声子共振也可将红外选择性发射层在8-13μm内的反射转换为结构的发射。此外，紧密堆积的陶瓷颗粒可大大增加表面积，并进一步提高制冷器的发射功率。这些颗粒对可见光的散射可使镜面外观变成白色，从而避免实际应用中的光污染。
在某些实施例中，辐射制冷结构的所有层均是无机的，这可延长辐射制冷器的寿命。所有这些层均可沉积在刚性基板或柔性基板上，并且可通过基于溶液的工艺沉积红外选择性发射层以及发射增强层。这使得该制冷器有望用于低成本的大规模制造。
图1中示出了不同地区的大气的三个典型透射光谱，包括高湿度(例如，水柱＝5120atm-cm)的热带地区、中等湿度(例如，水柱＝3636atm-cm)的中海拔夏季以及具有低湿度(例如，水柱＝1060atm-cm)的中海拔冬季，所有这些均示出8和13微米之间的高透射率。对于中海拔地区，超过该区域还有一些较小的透射窗口，尤其是中海拔冬季的透射窗口。然而，对于热带地区，透射率主要存在于8-13微米内。这意味着只有8至13微米内的那些辐射才有助于热带地区的辐射制冷器的制冷功率。对于具有一些辅助天窗口的中海拔地区，超过8-13μm的红外发射有助于提高初始制冷功率，但由于这些辅助窗口中的透射率不高，它们仍会阻止温度降低。因此，理想的辐射制冷器应仅在8-13μm内具有高发射率，并在其它波长范围内保持最佳的反射率。然而，到目前为止，所有报告的可扩展的辐射制冷器在图1所示的整个红外光谱中均具有高发射率。本公开的制冷结构解决了该问题，该制冷结构具有由陶瓷红外选择性发射层和发射增强层二者提供的高红外选择性，其可通过溶液工艺来制造。
图2提供根据本公开的某些实施例的辐射制冷结构。辐射制冷结构200包括反射层210、陶瓷红外选择性发射层220以及陶瓷发射增强层230。陶瓷红外选择性发射层220夹在反射层210和陶瓷发射增强层230之间。陶瓷红外选择性发射层在8μm至13μm的波长区域内具有高发射率(例如，平均发射率高于0.5或在0.5和1之间)，而在该波长区域之外具有低发射率(例如，在0和0.5之间、在0和0.3之间，或在0和0.1之间)。陶瓷发射增强层230由单层231的陶瓷颗粒232所组成，并且陶瓷颗粒232化学和/或物理地粘结到陶瓷红外选择性发射层220。陶瓷颗粒232可以是球形的或呈任何其它形状。
在某些实施例中，陶瓷红外选择性发射层包括硅基陶瓷材料。
在某些实施例中，陶瓷红外选择性发射层是具有1μm至5μm的厚度的氮氧化硅(SiOxNy)层，使得陶瓷红外选择性发射层能够发射在8-13μm的波长区域内的红外辐射，并且避免在该波长区域之外的红外发射。SiOxNy中的x可在0.1和2之间，并且SiOxNy中的y可在0.1和2之间。在8μm至13μm的波长区域内，陶瓷红外选择性发射层的平均发射率可在0.75和0.85之间。陶瓷红外选择性发射层可具有2μm至5μm的厚度以改善选择性红外发射。
在某些实施例中，每个陶瓷颗粒包括硅基陶瓷材料，并且具有1μm至3μm的粒径，使得单层陶瓷颗粒能够增强辐射制冷结构在8-13μm的波长区域内的整体发射率(例如，高达0.9和0.95之间的范围)并且避免在该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。硅基陶瓷材料是SiO2、Si3N4或SiOxNy。陶瓷颗粒化学地粘结和/或物理地粘结(例如通过范德华力)至陶瓷红外选择性发射层。陶瓷颗粒被紧密堆积在单层内。
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。反射层可以是银层、铝层或镀银的铝层。反射层可具有0.1μm至2μm的厚度。
图3示出了具有本公开的辐射制冷结构的无机红外选择性日间辐射制冷器300。基板310位于底部上以支撑辐射制冷结构。无机太阳反射层320沉积在基板310上以反射太阳能，用于避免从太阳光吸收热量。陶瓷红外选择性发射层330被涂覆在反射层320上，并且主要包含硅、氮和氧的复合物并且具有化学式SiOxNy。陶瓷红外选择性发射层330的厚度应被控制以保证良好的红外选择性。为了进一步改善大气透射窗口(8-13μm)内的发射率，在陶瓷红外选择性发射层330的顶部上设置有陶瓷发射增强层340。该陶瓷发射增强层340包含单层陶瓷颗粒341，并且主要在8至13微米的波长范围内增强发射率，同时在该波长范围之外保持低发射率。同时，该陶瓷发射增强层340可引起太阳漫反射以避免光污染。在该实施例中，在陶瓷红外选择性发射层330和陶瓷发射增强层340之间，添加陶瓷保护层350和陶瓷粘结层360以提高该辐射制冷器的耐久性。
基板310用于支撑辐射制冷器300。该基板可以是具有相对光滑表面的任何固体材料，包括硬板(例如，金属板、玻璃板或木板)或柔性薄膜(例如，铜膜或PET膜)。有机材料也可被用作基板，因为紫外线被上反射层320阻挡并且其不会损害辐射制冷器300的耐久性。基板的形状不受限制。
无机太阳反射层320沉积在基板310上。对于日间应用，太阳光是主要的热源，并且太阳能的吸收将立即增加表面或对象的温度。因此，需要在地球表面上具有太阳光谱(主要在0.3和2.5μm之间)的高反射率。在该实施例中，反射层是无机的，以实现长寿命。无机太阳反射层320可以是金属层、具有高折射率的陶瓷颗粒层或者甚至是具有反射增强设计的多层结构。
在无机太阳能反射层320的顶部上，涂覆陶瓷IR选择性发射层330以提供主要在8-13微米内的发射率的改善。该层的材料在8-13μm之间应具有较强的吸光系数，而在其它红外波长处应具有较弱或为零的吸光系数。该陶瓷红外选择性发射层330的厚度应被精确地控制以仅在大气透射窗口内提供高发射率。
一旦在8至13微米存在吸光峰，则材料还将在与该峰相对应的表面上显示出相对较高的反射率。该现象限制了发射率的最大化。因此，单层陶瓷颗粒341作为发射增强层340并布置在陶瓷红外选择性发射层330上，以进一步提高辐射制冷器300的发射率。
该陶瓷发射增强层340至少具有四种功能。第一，对红外选择性制冷层的表面进行整形以改变其有效折射率，然后减小表面反射。第二，使用适当的材料和粒径可使该发射增强层在8-13μm内实现光子共振，从而提高整个结构在透射窗口内的整体(合量)发射率(例如，高达0.9和0.95之间的范围)(基于至少来自陶瓷红外选择性发射层和陶瓷发射增强层两者的贡献)。第三，可通过在表面上引入紧密堆积的单层颗粒来增加辐射制冷器的发射面积，从而提高发射功率。第四，使可见光散射以引起太阳光的漫反射而非镜面反射，避免了实际应用中的光污染。
在该实施例中，在陶瓷红外选择性发射层330的顶部上，涂覆陶瓷保护层350以保护红外选择性发射层330免受来自环境的破坏，例如与空气的反应，这样的破坏将导致红外选择性制冷层330的光学性质的变化。对于陶瓷红外选择性发射层340的某些前体，可在自然固化过程之后自动形成该保护层350。在这种情况下，可免除附加保护层350的处理。
在该实施例中，在陶瓷保护层350和陶瓷发射增强层360之间添加陶瓷粘结层360，其可将单层陶瓷颗粒341牢固地粘结在表面上，从而避免在使用中发射增强层360的脱离或损坏。该陶瓷粘结层360可由与陶瓷保护层350相同的材料形成，从而可将这两层结合为一层以简化结构和制造工艺二者。
进行了用于模拟在紧密堆积结构和非紧密堆积结构下具有不同直径的二氧化硅球的单层的红外发射光谱的计算机模拟，并且在图4A-4D中示出了相应的模拟结果。
参照图4A，在二氧化硅球被紧密堆积(即两个二氧化硅球之间没有间隔)的情况下，当二氧化硅球的直径增加时，在大气透射窗口之外，单层的发射率将增加。相反，当直径在1-3μm内时，单层在8至13μm的波长区域内表现出良好的选择性红外发射。因此，当使用具有大直径的二氧化硅球时，不利于选择性红外发射。
参照图4B，在二氧化硅球被非紧密堆积并且平均颗粒间距是直径的0.5倍的情况下，当二氧化硅球的直径增加时，在大气透射窗口之外，单层的发射率将急剧地增加。这类似于图4A的结果。
参照图4B-4C，当平均颗粒间距从直径的0.5倍增加到1.5倍时，单层的发射率降低。因此，优选地，在紧密堆积结构中具有较小的直径，但在非紧密堆积结构中具有较大的直径。
进行了用于模拟SiO1.25N0.25层和在紧密堆积结构下具有不同直径的二氧化硅球的单层的红外发射光谱的计算机模拟，并且在5A和5B中示出了相应的模拟结果。在该模拟中示出了红外选择性发射层的厚度效应和发射增强层的直径效应。厚度效应基本上基于SiOxNy层的固有吸收和反射。直径效应基本上基于二氧化硅球的表面声子-极化子(surfacephonon-polariton)(SPhP)共振。
参照图5A，当氮氧化硅层的厚度增加时，在大气透射窗口之外，单层的发射率将急剧增加。相反，当厚度在1-5μm内时，单层在8至13μm的波长区域内表现出良好的选择性红外发射，并且相应的剩余射线(Reststrahlen)带基本上位于主大气窗口内。因此，对于选择性红外发射而言，具有超过5μm的厚度是不利的。
参照图5B，当直径在1-3μm之内时，单层在8至13μm的波长区域内表现出良好的选择性红外发射，并且相应的Reststrahlen带基本上位于主大气窗口内。结合两个模拟结果，为了提供良好的选择性红外发射，优选具有厚度在1-5μm之间的氧氮化硅层和具有直径在1和3μm之间的二氧化硅颗粒的单层。鉴于此，适当厚度的氮氧化硅层的和适当直径的二氧化硅球能够在主大气窗口(8-13μm)内提供聚焦发射，从而实现极大的红外选择性。
图6示出了根据本公开的某些实施例的无机红外选择性辐射制冷器的归一化辐射功率与波长的关系。具有约2μm的粒径的二氧化硅颗粒用于发射增强层。增强层的发射贡献分析如下。发射增强层主要增强在8-9μm和约12μm的波长范围内的发射。相应地，厚度为约4μm的SiO1.25N0.25层在8-9μm和约12μm的波长范围内表现出相对较低的发射。因此，发射增强层能够补偿氮氧化硅层在8-9μm和约12μm的波长范围内的弱发射，从而增强大气窗口内的整体红外发射。
示例1
在该示例中，按照提供的结构和制造工艺来制备无机溶液处理的红外选择性辐射制冷器。该用于被动制冷的制冷器由以下组成：硅晶片基板；银层，其厚度为120nm，用作太阳反射层；SiO1.25N0.25红外选择性发射层，其厚度为4μm，并且在8μm至13μm的波长区域内的平均发射率为0.8至0.85；发射增强层，其包含具有粒径为约2μm的SiO2球的单层(其具有一个SiO2球的厚度)，在单层中所有SiO2球以二维阵列排列并且各自沉积在发射层表面上，如图7A所示。在用PHPS涂覆的红外选择性制冷层完全固化之后，在红外选择性制冷层的表面上自动形成保护层，即SiO2薄层。同样的前驱物即PHPS溶液也用于涂覆保护层和发射增强层之间的粘结层。因此，在该示例中，在红外选择性层和发射增强层之间形成SiO2层，以同时用作保护层和粘结层。
在图7B中示出了该示例的红外光谱。在8-13μm范围内的平均发射率大于0.9，但其在该区域之外立即下降。其显示出极大的红外选择性并且完全拟合大气窗口。本设计的太阳能吸收率可被控制在4％之下。
图8示出了示例1的辐射制冷器的辐射制冷测试结果。制冷器1(对照样品)不具有陶瓷发射增强层，而制冷器2(示例1)具有陶瓷发射增强层。日间将制冷器1和制冷器2放在屋顶上，直接暴露在太阳光下。记录环境空气以及所述两个制冷器的温度，还记录了太阳辐射功率。对于制冷器1可观察到2-4℃的制冷，而对于制冷器2记录了约1℃的更大制冷，这证明陶瓷发射增强层能够增强辐射制冷器的制冷功率。
本公开进一步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性发射层和陶瓷发射增强层辐射热量，从而去除从主体的热量。
本公开还提供一种用于制造上述辐射制冷结构的方法，该方法包括：提供反射层；在反射层上形成陶瓷红外选择性发射层；以及通过LB方法或喷涂在陶瓷红外选择性发射层上形成陶瓷发射增强层。
在某些实施例中，一种用于制造上述辐射制冷结构的方法包括：提供反射层；在反射层上形成陶瓷红外选择性发射层；在陶瓷红外选择性发射层上形成陶瓷粘结层；以及通过LB方法或喷涂在陶瓷粘结层上形成陶瓷发射增强层。可选地，该方法还包括在陶瓷发射增强层上沉积陶瓷覆盖层，以将陶瓷发射增强层固定在辐射制冷结构内。在某些实施例中，陶瓷覆盖层覆盖陶瓷球并且填充陶瓷球之间的空间，使得陶瓷球被封闭在陶瓷覆盖层中。在某些实施例中，陶瓷覆盖层包括SiO2、SiN或SiOxNy。
图9是描绘根据本公开的某些实施例的用于制造辐射制冷结构的方法的流程图。在步骤S91中，通过喷涂将硅氮烷(PHPS)沉积在反射层上。在步骤S92中，将PHPS固化以形成陶瓷红外选择性发射层，并且通过氧等离子体的表面亲水化对陶瓷红外选择性发射层的表面改性，以提供用于随后的单层沉积的亲水性表面。在步骤S93中，通过LB方法在陶瓷红外选择性发射层上形成具有二氧化硅球的单层。在步骤S94中，通过喷涂将陶瓷覆盖层沉积在具有二氧化硅球的单层上。在步骤S95中，通过暴露于紫外光或太阳光使整个结构充分固化，以将具有二氧化硅球的单层固定在辐射制冷结构内。
本辐射制冷结构可应用于但不限于建筑制冷、车辆制冷、室外电箱制冷等。
由此可见，已经公开了一种改进的用于被动制冷的辐射制冷结构和用于制造该辐射制冷结构的工艺，其消除或至少减少了与现有技术的装置和工艺相关的缺点和问题。本辐射制冷结构能够在大气透射窗口内提供较高的红外发射，而在大气透射窗口之外提供较低的红外发射，从而提供窄带发射和良好的红外选择性，以增强辐射制冷结构的制冷功率。另外，与包括聚合物的常规辐射制冷器不同，该辐射制冷结构的某些实施例可完全由无机材料制成以克服老化问题并在恶劣的户外环境中提供更佳的耐久性。
尽管已经根据某些实施例描述了本发明，但对于本领域普通技术人员显而易见的其它实施例也在本发明的范围内。因此，本发明的范围仅由所附权利要求书限定。
Claims (16)
1.一种辐射制冷器，包括：
无机太阳反射层；
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器在8μm至13μm波长区域内的整体发射率，从而提高所述辐射制冷器的制冷功率，所述单层陶瓷颗粒是指所述陶瓷发射增强层是由多个紧密排列陶瓷颗粒组成的层并且所述陶瓷发射增强层的厚度只有一个陶瓷颗粒厚；
其中，所述陶瓷红外选择性发射层布置在所述无机太阳反射层和所述陶瓷发射增强层之间；
其中，所述陶瓷红外选择性发射层包括第一硅基陶瓷材料；以及所述单层陶瓷颗粒中的每个陶瓷颗粒包括第二硅基陶瓷材料；
其中，所述辐射制冷器的所有层均是无机的。
2.根据权利要求1所述的辐射制冷器，其中，所述第一硅基陶瓷材料是SiO2、Si3N4或SiOxNy；以及所述第二硅基陶瓷材料是SiO2、Si3N4或SiOxNy。
3.根据权利要求2所述的辐射制冷器，其中，SiOxNy中的x在0.1和2之间；以及SiOxNy中的y在0.1和2之间。
4.根据权利要求1所述的辐射制冷器，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。
5.根据权利要求1所述的辐射制冷器，其中，所述单层陶瓷颗粒中的每个陶瓷颗粒是实心的或空心的。
6.根据权利要求1所述的辐射制冷器，其中，所述单层陶瓷颗粒通过朗缪尔－布劳杰特方法或喷涂形成。
7.根据权利要求1所述的辐射制冷器，其中，所述平均发射率在0.5和1之间。
8.根据权利要求1所述的辐射制冷器，其中，所述无机太阳反射层在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。
9.根据权利要求1所述的辐射制冷器，还包括陶瓷粘结层，所述陶瓷粘结层布置在所述陶瓷红外选择性发射层和所述陶瓷发射增强层之间，使得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粘结层。
10.根据权利要求9所述的辐射制冷器，其中，所述陶瓷粘结层包括第三硅基材料，并且具有0.1μm至2μm的厚度。
11.根据权利要求9所述的辐射制冷器，还包括陶瓷保护层，所述陶瓷保护层布置在所述陶瓷粘结层和所述陶瓷红外选择性发射层之间，用于保护所述陶瓷红外选择性发射层。
12.根据权利要求1所述的辐射制冷器，其中，所述陶瓷红外选择性发射层是具有厚度为1μm至5μm的SiOxNy层，用于避免在所述波长区域之外的红外发射；以及所述单层陶瓷颗粒中的每个陶瓷颗粒是硅基颗粒并且具有1μm至3μm的粒径，使得所述单层陶瓷颗粒能够避免在所述波长区域之外的红外发射，从而提高所述辐射制冷器的制冷功率。
13.根据权利要求9所述的辐射制冷器，其中：
所述陶瓷红外选择性发射层是厚度为1μm至5μm的SiOxNy层，用于避免在所述波长区域之外的红外发射；
所述单层陶瓷颗粒具有紧密排列结构，其中，所述单层陶瓷颗粒中的陶瓷颗粒被紧密排列，所述单层陶瓷颗粒中的每个陶瓷颗粒是SiO2颗粒并且具有1μm至3μm的粒径，使得所述单层陶瓷颗粒能够避免在所述波长区域之外的红外发射，从而提高所述辐射制冷器的制冷功率；以及
所述陶瓷粘结层是具有厚度为0.1μm至2μm的SiO2层。
14.一种用于去除主体的热量的方法，包括：
将根据权利要求1所述的辐射制冷器定位成与所述主体的表面热连通；
将热量从所述主体传递到所述辐射制冷器；以及
从所述陶瓷红外选择性发射层和陶瓷发射增强层辐射所述热量，从而去除所述主体的热量。
15.一种用于制造根据权利要求1所述的辐射制冷器的方法，包括：
提供无机太阳反射层；
在所述无机太阳反射层上形成陶瓷红外选择性发射层；以及
通过朗缪尔－布劳杰特方法或喷涂在所述陶瓷红外选择性发射层上形成陶瓷发射增强层。
16.一种用于制造根据权利要求9所述的辐射制冷器的方法，包括：
提供无机太阳反射层；
在所述无机太阳反射层上形成陶瓷红外选择性发射层；
在所述陶瓷红外选择性发射层上形成陶瓷粘结层；以及
通过朗缪尔－布劳杰特方法或喷涂在所述陶瓷粘结层上形成陶瓷发射增强层。
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