CN113739244A - 一种可见光透明辐射散热组件 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种可见光透明辐射散热组件，包括设于热管理目标外侧的可见光透明辐射散热外层和设于所述热管理目标内侧的可见光透明辐射保冷内层。本发明的可见光透明辐射散热组件，同时实现了热管理目标色彩与图案的保留，和对应腔室的高效散热，降低了对应腔室的制冷热损耗，可应用在建筑物与车辆节能等应用中。
Description
技术领域
本发明属于热管理系统设计技术领域，具体涉及一种可见光透明辐射散热组件。
背景技术
空调能耗占据车辆与建筑物约37％与20％的能耗。以这些腔室为例，在夏天，导致空调能耗高的主要原因包括内部物体通过窗户对太阳光的吸收与喷涂了油漆的外层(热管理目标)对太阳光的吸收。腔室外层大约会吸收20％到95％入射的太阳光能量并转化为热能，对腔室造成热负载。在腔室外层造成的热负载中，辐射传热大约占据了26％到50％的比例。传统关于建筑物节能的研究中有采用辐射阻隔铝箔(Radiant barrier或Reflectiveinsulation)或者银/白色辐射散热涂层等方案来减小由热管理目标输入腔室的热量，由于铝箔与辐射散热涂层美观程度等方面的问题，这类辐射散热系统无法被直接应用于腔室内外表面进行兼容色彩的高效散热。
发明内容
本发明针对现有技术存在的缺点和不足，提出可见光透明、兼容色彩的微纳光学散热组件。该组件主要由两部分组成：1.应用于热管理目标外侧的可见光透明、近红外高反射、中红外高辐射的透明辐射散热光学外层；2.应用于热管理目标内侧的可见光透明、中红外低辐射的透明辐射保冷光学内层。
一种可见光透明辐射散热组件，包括设于热管理目标外侧的可见光透明辐射散热外层和设于所述热管理目标内侧的可见光透明辐射保冷内层。
上述技术方案中，将可见光透明的散热外层和保冷内层分别应用于热管理目标的外侧和内侧，二者协同作用，不仅能降低目标腔室内温度和能耗，还可以保留热管理目标的图案和色彩，兼具功能和美观。
热管理目标可以是车顶、建筑物墙壁、玻璃或太阳能电池等。
作为优选，所述散热外层包括设于热管理目标外侧的透明基底Ⅰ以及沉积在该透明基底Ⅰ上的可见透明、近红外高反射、中红外高辐射光学膜系。
采用上述技术方案对热管理目标的外侧进行辐射散热的原理为：在可见光波段，利用透明基底Ⅰ和光学膜系可见光透过率高的特性实现外层色彩和图案的保留；利用光学膜系近红外反射率高的特性实现太阳光热量的反射；利用光学膜系中红外高辐射率的特性实现高效的辐射散热；综合前述特性，实现散热外层对热管理目标的辐射散热。
作为进一步优选，所述透明基底Ⅰ为透明聚合物薄膜或石英玻璃。更进一步优选为透明聚合物薄膜。
作为进一步优选方案，所述透明基底Ⅰ为柔性聚酯薄膜。柔性聚酯薄膜作为成熟的材料，在沉积过程中耐热性好，安全性更高。
作为进一步优选，所述光学膜系的可见光透射率大于0.6，近红外波段反射率大于0.7，中红外波段辐射率大于0.6。
作为进一步优选，所述光学膜系由二氧化钛膜和二氧化硅膜交叠组成，其交叠顺序和各层膜厚如图2所示；该结构下的所述光学膜系的可见光波段透射率大于0.8，近红外波段(700纳米到1100纳米)的反射率(1-透射率)大于0.9，中红外平均热辐射率大于0.8。
作为进一步优选，所述光学膜系为二氧化钛与二氧化硅交替的光学薄膜。
作为进一步优选，所述光学膜系的厚度为500nm～20μm。
作为优选，所述光学膜系的总层数为20～40层，整体厚度1～8μm。
作为进一步优选，所述光学膜系通过磁控溅射或者热蒸发或者电子束蒸镀等手段沉积在所述透明基底Ⅰ上。
作为优选，所述保冷内层包括设于热管理目标内侧的透明基底Ⅱ和沉积在所述透明基底Ⅱ上的可见光透明、中红外低辐射率结构层。
采用上述技术方案对热管理目标的内部腔室进行保冷的原理在于：在可见光波段，利用透明基底Ⅱ和结构层可见光透过率高的特性实现内层表面色彩保留；在中红外热辐射波段，通过中红外高反射率、低辐射率的结构层隔绝热管理目标对室内物体的热辐射传热，减小腔室内物体的热负载，降低制冷能耗。
作为进一步优选，所述透明基底Ⅱ为透明聚合物薄膜或石英玻璃。更进一步优选为透明聚合物薄膜。
作为进一步优选方案，所述透明基底Ⅱ为柔性聚酯薄膜。柔性聚酯薄膜作为成熟的材料，在沉积过程中耐热性好，安全性更高。
作为进一步优选，所述结构层的可见光透过率大于0.6，中红外热辐射率小于0.4。
作为进一步优选，所述结构层为金属薄膜、透明导电氧化物薄膜或金属纳米线阵列结构层。结构层实现可见光高透过率，中红外低热辐射率、高反射率的原理如下：
1.对于介质-金属-介质的结构，在可见光波段，基于诱导透射原理，利用上下介质层对超薄金属层进行匹配，从而实现较宽波段高透射特性；在中红外热辐射波段，由于介质层厚度薄，金属反射率高，能够实现对中红外热辐射的高效反射，即低热辐射率。
2.对于金属纳米线阵列和透明导电氧化物薄膜(如氧化铟、氧化铟锡、掺铝氧化锌、掺镓氧化锌等)，其折射率在可见光波段接近低折射率介质，而在中红外波段接近金属薄膜，因此其在可将光波段呈现高透明，中红外热辐射波段呈现高反射低辐射的特点。
作为更进一步优选，所述金属薄膜为单层超薄金属膜或介质-金属-介质多层薄膜。
优选地，所述超薄金属膜材料为银、铝、金、铜、铬等；超薄金属膜的厚度为2～50nm。
优选地，所述介质-金属-介质多层薄膜中，介质层为金属氧化物层；介质层厚度为10～50nm。
优选地，所述介质-金属-介质多层薄膜中，介质层为氧化铝或氧化钛层。
优选地，所述介质-金属-介质多层薄膜中，金属层材料为银、铝、金、铜、铬等；金属层的厚度为2～30nm。
优选地，金属薄膜通过磁控溅射或者热蒸发或者电子束蒸镀等手段沉积在透明基底Ⅱ上。
作为更进一步优选，所述透明导电氧化物薄膜为氧化铟(In2O3)、氧化铟锡(In2O3:Sn)、掺铝氧化锌(ZnO:Al)或掺镓氧化锌(ZnO:Ga)薄膜。
优选地，所述透明导电氧化物薄膜的厚度为50～300nm。
优选地，所述透明导电氧化物薄膜通过磁控溅射或者热蒸发或者电子束蒸镀等手段沉积在透明基底Ⅱ上。
作为更进一步优选，所述金属纳米线阵列结构层中，金属纳米线的直径为10～500nm，长度为1～500μm；金属纳米线阵列的周期为500nm～10000nm。
优选地，所述金属纳米线材料为银、铝、金、铜、铬等。
优选地，金属纳米线阵列通过银纳米线/PVB溶液喷涂在透明基底Ⅱ上。
作为进一步优选，所述保冷内层中，所述结构层为氧化铟锡，所述透明基底Ⅱ为透明柔性聚酯薄膜；所述保冷内层在可见光波段透射率大于0.6，中红外平均热辐射率小于0.3。
本发明的可见光透明辐射散热组件可与低热导率材料(如气凝胶等)结合增强散热效率。
本发明的可见光透明辐射散热组件中的散热外层和保冷内层均可被单独应用于热管理目标以提升热管理目标的散热性能。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)针对腔室热管理，通过优化微纳光学材料和结构协同调控其在可见光波段和红外辐射波段的光学特性，实现具备色彩与图案保留及低辐射热负载的微纳光学材料；
(2)将建筑物涂料、装饰物美学管理与热管理结合，基于微纳光学结构实现颜色及图案保留的辐射散热；
(3)通过波长选择性太阳反射膜系进行太阳热量的反射，以及中红外热辐射的增强；
(4)通过隔绝往室内传热的方式升高屋顶/车顶温度，增强其对外界的热辐射散热，提高散热效率。
综上所述，本发明的可见光透明辐射散热组件，同时实现了热管理目标色彩与图案的保留，和对应腔室的高效散热，降低了对应腔室的制冷热损耗，可应用在建筑物与车辆节能等应用中。
附图说明
图1为本发明实施例应用于热管理目标的原理图；
图2为本发明实施例中氧化硅氧化钛交替膜系的交叠顺序及每一层膜的膜厚；
图3中：(a)为本发明实施例的散热组件中散热外层和保冷内层分别覆盖在彩色纸片上的成像图；(b)为散热外层和保冷内层的光谱特性测试图；
图4为本发明实施例中散热外层和保冷内层的多波段光谱；
图5为本发明实施例的保冷内层应用于测试装置的结构示意图；
图6为对照组和实验组测试装置的室内测试结果；
图7为四种测试装置的室外测试结果。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细说明：本实施方式案例以本发明提出的为前提，但本发明的保护范围并不限于下述实施方式与案例。
如图1所示，一种可见光透明辐射散热组件，包括设于热管理目标外侧的可见光透明辐射散热外层(图中显示为外层材料)和设于热管理目标内侧的可见光透明辐射保冷内层(图中显示为内层材料)。
散热外层包括设于热管理目标外侧的透明柔性聚酯薄膜(PET)以及通过磁控溅射法沉积在柔性聚酯薄膜上的氧化硅氧化钛交替膜系，其中氧化硅与氧化钛的层数分别为15层，交叠形成最终膜系，每一层的厚度介于10～400nm(每一层具体厚度详见图2)。
保冷内层包括设于热管理目标内侧的透明柔性聚酯薄膜(PET)和通过磁控溅射法沉积在透明柔性聚酯薄膜上的氧化铟锡(ITO)薄膜，其中氧化铟锡薄膜的厚度为150nm。
热管理目标在吸收太阳光后会对自身进行加热，进而对被制冷的腔室构成热负载。常规的热管理目标如瓷砖(如屋顶、墙壁等)、油漆板(如车顶等)等在太阳光谱近红外波段有较强的吸收率，带来不必要的额外太阳能量吸收与热量产生，常规的热管理目标在中红外热辐射波段具有宽光谱高辐射率，对腔室造成巨大的辐射热负载。
将本实施例的散热组件应用于热管理目标后，其散热外层能够减小热管理目标外层(外侧)对于近红外波段太阳光的吸收，同时增强热管理目标外层(外侧)的辐射散热；保冷内层能够减小热管理目标内层(内侧)对于屋内的辐射传热，同时提高外层(外侧)的温度，增强辐射散热。
图3中(a)为分别将散热外层和保冷内层覆盖于彩色纸片上的成像图；(b)为散热外层(图中显示为“外层材料”)和保冷内层(图中显示为“内层材料”)的热成像图。如图3所示，覆盖散热外层后，彩色纸片颜色在可见光波段保持图案色彩不变，在中红外波段呈现高辐射率特性(暖色)；覆盖保冷内层后，彩色纸片在可见光波段保持图案色彩不变，在中红外波段呈现低辐射率特性(冷色)。
图4为本实施例的散热外层(图中显示为“外层材料”)和保冷内层(图中显示为“内层材料”)的光谱特性测试图。如图4所示，由氧化硅氧化钛交替膜系与柔性聚酯薄膜构成的散热外层在可见光波段透射率大于0.8，近红外波段(700纳米到1100纳米)的反射率(1-透射率)大于0.9，中红外平均热辐射率大于0.8。由ITO-PET构成的保冷内层在可见光波段透射率大于0.6，中红外平均热辐射率小于0.3。
以顶部设有屋顶材料板、底部设有散热铝片的内壁粘附铝箔的中空塑料泡沫模拟目标腔室；屋顶材料板作为热管理目标，屋顶材料板上设置加热板模拟外界温度，并与目标腔室一起组成测试装置，并作为对照组。如图5所示，将本实施例的保冷内层(图中显示为“本发明中内层材料”)设置于上述测试装置的屋顶材料的内侧作为实验组。
将实验组与对照组装置分别在室内无太阳光照射测试条件下进行测试，结果如图6所示。图6中，测得实验组(图中显示为“使用”)腔室内温度相对对照组(图中显示为“未使用”)腔室内的温度可以下降约5℃，对应的屋顶辐射散热功率相对对照组能够提升约40Wm-2。
如图7所示，分别将上述测试装置、单独应用本实施例中的散热外层的上述测试装置、以及应用本实施例的散热组件的上述测试装置分别记为0#、1#、2#装置，并将上述三种装置移至室外太阳光照射条件下，测试得到2#(图中显示为“使用散热系统(本发明2#)”)腔室内的温度相比0#(图中显示为“未使用0#”)腔室内的温度下降约4℃，相比1#(图中显示为“仅外层材料1#”)腔室内的温度下降约2.5℃。
Claims (10)
1.一种可见光透明辐射散热组件，其特征在于，包括设于热管理目标外侧的可见光透明辐射散热外层和设于所述热管理目标内侧的可见光透明辐射保冷内层。
2.根据权利要求1所述的可见光透明辐射散热组件，其特征在于，所述散热外层包括设于热管理目标外侧的透明基底Ⅰ以及沉积在该透明基底Ⅰ上的可见透明、近红外高反射、中红外高辐射光学膜系。
3.根据权利要求2所述的可见光透明辐射散热组件，其特征在于，所述光学膜系的可见光透射率大于0.6，近红外波段反射率大于0.7，中红外波段辐射率大于0.6。
4.根据权利要求2所述的可见光透明辐射散热组件，其特征在于，所述光学膜系为二氧化钛与二氧化硅交替的光学薄膜。
5.根据权利要求1所述的可见光透明辐射散热组件，其特征在于，所述保冷内层包括设于热管理目标内侧的透明基底Ⅱ和沉积在所述透明基底Ⅱ上的可见光透明、中红外低辐射率结构层。
6.根据权利要求5所述的可见光透明辐射散热组件，其特征在于，所述结构层的可见光透过率大于0.6，中红外热辐射率小于0.4。
7.根据权利要求5所述的可见光透明辐射散热组件，其特征在于，所述结构层为金属薄膜、透明导电氧化物薄膜或金属纳米线阵列结构层。
8.根据权利要求7所述的可见光透明辐射散热组件，其特征在于，所述金属薄膜为单层超薄金属膜或介质-金属-介质多层薄膜。
9.根据权利要求7所述的可见光透明辐射散热组件，其特征在于，所述透明导电氧化物薄膜为氧化铟、氧化铟锡、掺铝氧化锌或掺镓氧化锌薄膜。
10.根据权利要求7所述的可见光透明辐射散热组件，其特征在于，所述金属纳米线阵列结构层中，金属纳米线的直径为10～500nm，长度为1～500μm；金属纳米线阵列的周期为500nm～10000nm。
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