CN117889503A - 一种温度自适应表面辐射器 - Google Patents

Abstract

一种温度自适应表面辐射器涉及辐射制冷与太阳能供暖领域。温度自适应表面辐射器为层状结构，包括长波红外调控层以及近红外调控层。长波红外调控层可温度自适应调控器件长波红外发射率(8～14μm)，随外界温度变化自动开启/关闭辐射制冷。近红外调控层可通过周期数量对器件近红外(0.8～1.3μm)反射率进行调控，利用太阳能中近红外波段为目标加热。本发明为在单一器件中实现辐射制冷与太阳能供暖的综合利用提供了解决途径。

Description

一种温度自适应表面辐射器

技术领域

本发明涉及红外光谱调控、辐射制冷与太阳能供暖领域，具体涉及一种温度自适应表面辐射器。

背景技术

全球约30％的最终能源消耗用于住宅和商业建筑的供暖和制冷，在发达国家占比更大。而空调、供暖等设备的大量使用实际上与建筑材料相关，一种具备优异热管理性能的材料不仅可以提高所处空间的舒适性，还有助于节约能耗，减少碳排放。辐射制冷与太阳能制热是针对建筑及空间常见的被动制冷、制热方法。其中，辐射制冷是指表面材料以红外辐射方式通过大气窗口将热量直接释放到宇宙空间的制冷方式，欲实现有意义的辐射制冷，制冷体必须在大气窗口(8～14μm)范围具有很强的选择性辐射同时在太阳光谱范围内必须有极高的太阳反射率。而太阳能制热主要是利用0.15～4μm波段内的太阳辐射为建筑空间提供热量，要求其表面材料在太阳光谱范围内具有高吸收率。综上，实现加热作用的表面材料则应具有与制冷材料完全相反的辐射特点。传统的材料在不同波段具有接近的发射率，这也就意味着其难以将其制冷、制热能力充分发挥，如对于传统建筑外表面材料，大多数选用太阳光高反射材料，其可有效避免太阳光的吸收却难以有效利用天空进行红外制冷。而常见的材料的物性随温度变化不大，这也就决定了其不同温度下的红外光谱相对固定。面对不同外部环境条件，单一表面难以同时实现制冷及制热两种需求。

发明内容

针对单一表面难以实现不同环境条件下辐射制冷与太阳能制热综合利用的问题，本专利提出了一种温度自适应表面辐射器，该器件可随外界环境温度变化无源被动调节制热/制冷模式，以红外制冷及太阳能制热等方式为建筑或目标提供制热制热辅助。

一种温度自适应表面辐射器为层状结构，具体为ABC(BD)ⁿ结构，其中,A、B、C和D为构成温度自适应辐射器的四种材料，n表示(BD)ⁿ结构所对应的周期数。

进一步地，构成温度自适应表面辐射器的材料中，A表示Al，B表示Ge，C表示VO₂,D表示TiO₂。

进一步地，一种温度自适应表面辐射器，具体结构为ABC(BD)ⁿ，按功能可将其分为ABC结构单元以及(BD)ⁿ结构单元，各结构单元的具体功能为：

ABC结构单元：温度自适应长波红外光谱调控

BD结构单元：近红外光谱调控

进一步地，对于ABC结构单元，材料A、B、C层的物理厚度范围分别为5～50μm，0.5～1μm以及0.01～0.03μm。

进一步地，ABC结构单元中的材料A、B、C薄膜通过磁控溅射的方法制备。

当外界环境温度较高时(高于VO₂的相变温度)，材料B(VO₂)无带隙，为金属态，通过ABC结构单元的设计形成F-P谐振腔，使特定波长的入射光在谐振腔中产生共振吸收，通过厚度设计使温度自适应表面辐射器具有较高的长波红外发射率，具有辐射制冷能力。当外界环境温度较低时(低于VO₂的相变温度)，材料B转变为带隙较的半导体态，此时，B、C材料具有较高的长波红外透过率，大部分入射的红外波经过A材料进行反射，使其具有较低的长波红外的发射率，关闭辐射制冷，实现温度自适应。

进一步地，对于(BD)ⁿ结构单元，材料B、D的物理厚度分别根据材料的折射率和任一反射中心波长确定，物理厚度计算公式为：

其中，d_B代表B材料的物理厚度，n_B为B材料的折射率，d_D代表D材料的物理厚度，n_D为D材料的折射率,λ代表反射光谱的中心波长。

进一步地，对于(BD)ⁿ结构单元，周期数n的数量为1～5，不同周期数量分别对应不同的近红外(0.8～1.4μm)反射率，n越大，温度自适应表面辐射器近红外反射率越高。

进一步地，(BD)ⁿ结构单元中的材料B、D薄膜依次通过磁控溅射的方法在ABC结构单元上溅射形成。

(BD)ⁿ结构单元通过不同折射率的B、D材料的堆叠组成一维光子晶体结构，可以实现对特定波长入射光的反射。由于(BD)ⁿ结构单元中的B、D材料为长波红外透明材料，(BD)ⁿ结构单元的存在及其周期数量的多少对温度自适应表面辐射器长波红外的发射性能影响较小。(BD)ⁿ结构单元对近红外的控制依靠其周期的数量，其周期数量较多(≥3)时，其具有较高的近红外反射率，可以在较大程度上避免太阳光的吸收，发挥F-P谐振腔的辐射制冷能力。其周期数量较少(＜2)时，其具有较低的近红外反射率，吸收太阳能，配合低温关闭的红外制冷，实现太阳能加热。

综上，温度自适应表面辐射器结合了具备选择性发射功能的F-P谐振腔结构以及具备选择性反射功能的一维光子晶体结构相结合，组成ABC(BD)ⁿ结构，基底为A材料，在其表面依次溅射B及C膜层，与A材料构成F-P谐振腔，充分发挥C材料的温致变色能力，实现其大气窗口红外发射率的正相关。使其具有温度自适应的红外制冷开启与关闭能力。外层薄膜是由B及D依次溅射而成的周期性一维光子晶体材料。在不影响下层大气窗口辐射特性的同时调节VO₂在近红外波段的本征吸收，通过周期数量的选择实现近红外反射率的控制，与F-P谐振腔结合实现高低温两种状态下的近/远红外双波段有效控制。

本发明的有益效果是：本发明在单一表面中实现了近红外反射以及长波红外发射率的控制，其中长波红外发射率可通过环境温度自适应调节，而近红外反射率则通过结构按需调制。借助此发明可以实现天空辐射制冷及太阳能光热的综合利用，展现出比常规材料更加出色的制冷/制热能力。

附图说明

图1为ABC(BD)ⁿ结构示意图

图2为高温态和低温态时温度自适应表面辐射器长波发射率仿真结果

图3为周期数量n为1～5时，温度自适应表面辐射器近红外发射率仿真结果

图4为磁控溅射过程示意图

具体实施方式

为使本发明所表述的器件设计结构以及突出优点表述清楚，以下结合附图和实例对本发明进行具体说明且以下叙述的实施实例是本发明的一部分实例，并非全部的实施实例。

本实施实例的ABC(BD)ⁿ实际结构如图1所示，涉及一种温度自适应表面辐射器结构，A、B、C、D材料分别为Al、Ge、VO₂以及TiO₂。

本实施实例中，对于ABC结构单元，材料Al、Ge、VO₂层的物理厚度分别为10μm，0.7μm以及0.02μm。借助有限元方法仿真的温度自适应表面辐射器在高温及低温下的大气窗口(8～4μm)红外发射率曲线如图2所示，在高温(350K)下的平均发射率为0.87，在低温(290K)下的平均发射率为0.02。

本实施实例中，对于(BD)ⁿ结构单元，对应1100nm的反射光谱中心波长，B材料(Ge)的折射率为4.0，D(TiO₂)材料的厚度为2.35，d_B＝0.0625μm,d_D＝0.1064μm。周期数n的数量为1～5，图3展示了不同周期数量n时对应的近红外反射率。n＝1对应的近红外反射率为0.159，n＝2对应的近红外反射率为0.222，n＝3对应的近红外反射率为0.406，n＝4对应的近红外反射率为0.726，n＝5对应的近红外反射率为0.866。

进一步地，图4展示了针对本发明开发的磁控溅射温度自适应表面辐射器制备方法。

以上所述,仅为本发明中的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内,可轻易想到的变换或替换,都应涵盖在本发明的包含范围内。因此,本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种温度自适应表面辐射器，其特征在于：表面辐射器的结构为多层膜结构，具体为ABC(BD)ⁿ型，其中,A、B、C、D分别为组成表面辐射器的四种材料， 四种材料分别为Al、Ge、VO₂以及TiO₂， 由磁控溅射方法制备；该表面辐射器结构分为ABC结构单元以及(BD)ⁿ结构单元，n表示(BD)ⁿ结构所对应的周期数。

2.如权利要求1 所述的一种温度自适应表面辐射器，其特征在于：表面辐射器的结构为ABC(BD)ⁿ型，组成该结构的(BD)ⁿ结构单元为外层；ABC结构单元为内层，其中，A、B、C材料磁控溅射薄膜物理厚度范围分别为5～50μm，0.5～1μm以及0.01～0.03μm。

3.如权利要求2 所述的一种温度自适应表面辐射器，其特征在于：Ge以及TiO₂组成(BD)ⁿ结构单元，薄膜Ge以及TiO₂的物理厚度分别根据材料的折射率和任一反射中心波长确定，物理厚度计算公式为：

其中，dB代表B材料的物理厚度，nB为B材料的折射率，dD代表D材料的物理厚度，nD为D材料的折射率, λ代表反射光谱的中心波长。

4.如权利要求3 所述的一种温度自适应表面辐射器，其特征在于：λ范围为0.8～2.5μm, n_B＝4.0, n_D＝2.35。

5.如权利要求1 所述的一种温度自适应表面辐射器，其特征在于：周期数n的数量为1～5。