CN112503654A - 单通道夜间被动式辐射冷却膜 - Google Patents

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周雷
周广宏
朱雨富
颜赛
张群永
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Abstract

本发明涉及冷却领域，公开了一种被动式辐射冷却复合材料薄膜，其包括由下至上依次设置的传导层和材质为聚二甲基硅氧烷的基底层，在所述基底层内嵌入一维周期性锥形微米金属光栅阵列。被冷却物体的热辐射经传导层和金属光栅阵列被辐射冷却薄膜的基底层吸收并同步将热量经8‑13μm的特定波段的“大气窗口”发射出去，与此同时，外部环境（大气、灰尘等）周围大气环境造成的再次热辐射入射被辐射冷却膜的金属光栅阵列反射并阻断，从而只允许被冷却物体的热辐射单向传输到外部宇宙空间，形成“单通道”辐射冷却，起到辐射降温的作用；本发明的被动式辐射冷却复合材料薄膜可应用于电子设备、机械设备等无法采用主动式冷却降温手段的场合。

Description

单通道夜间被动式辐射冷却膜
技术领域
本发明涉及冷却领域，特别涉及一种单通道被动式夜间辐射冷却薄膜。
背景技术
外部的宇宙空间的温度接近绝对零度，对于地球表面的物体而言，外部宇宙空间是个巨大无比的冷源，因此地球表面物体总是通过大气层向外部宇宙空间散热。然而，由于大气层的水蒸气、一氧化氮、二氧化钛等对地表物体向外散热而发出的红外线具有较强的吸收作用，会再次以热辐射的形式重新传递到底面，阻碍了地表物体向外散热的辐射冷却过程。通过对大气层光谱的透射特性进行分析发现不同波长的电磁波在大气传输中有不同的透射率，其中将电磁波辐射透过率较高的波段称为“大气窗口”，而“大气窗口”可分为多个特定的光谱段，其中8-13μm的光谱段具有较高透射率，也就是说，大气层对该波段而言几乎是透明的，而常温下黑体辐射也主要集中在8-13μm波段。
简言之，辐射制冷的基本原理是：通过8-13 μm特定波段的“大气窗口”向宇宙空间发射足够多的红外辐射能量来释放热量，同时需要尽可能多地反射太阳光谱的辐射能量（0.2-2.5μm），从而实现物体本身降温的目标。这种被动式的辐射冷却的制冷方式，不需要消耗外部能量，绿色环保，有利于生态环境和经济的绿色发展。特别地，对于夜间或者室内具体物体的被动辐射冷却而言，可忽略太阳的辐射影响，即重点考虑在8-13μm特定波段的“大气窗口”向外辐射足够多的红外辐射能量。更值得关注的是，在实际应用过程中，由于大气层中灰尘、水蒸气等物质含量的提升，往往造成8-13μm特定波段的“大气窗口”向外辐射，会再次以热辐射的形式重新传递到待冷却的物体，造成冷却效果不理想。
中国发明专利（CN109631409A）“耐高温高红外发射的被动式辐射冷却结构及冷却方法”公布了一种多层复合薄膜及隔热部件构成的被动式冷却结构。此专利可实现被动式辐射冷却，但该专利主要用于白天辐射冷却，对于受到空气和四周环境造成的再次热辐射干扰只能借助于外部隔热部件实现，复合薄膜本身只具有红外发射特性。
科技文献“Radiative cooling to deep sub-freezing temperatures througha 24-h day–night cycle”（Nature communications, 2016,7,13729）采用 “氮化硅/硅/铝/硅”多层结构实现了24小时被动式辐射冷却，但该结构不能实现弯曲，不适用于机器部件降温等实际情形。
发明内容
发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种单通道夜间被动式辐射冷却膜，在“大气窗口”特定波段具有较高的红外发射率，同时反射并阻断被冷却物体周围大气环境造成的再次热辐射入射，实现单通道被动式样辐射冷却。
技术方案：本发明提供了一种单通道夜间被动式辐射冷却膜，包括由下至上依次设置的传导层和材质为聚二甲基硅氧烷的基底层，在所述基底层内嵌入一维周期性锥形微米金属光栅阵列。
优选地，所述传导层的材质为ZnS、SiC或Al2O3。
优选地，所述传导层的厚度H1为20-80nm。
优选地，所述基底层的厚度H2为15-40 μm。
优选地，所述金属光栅阵列的周期P为10-15μm。
优选地，所述金属光栅阵列的高度H3为6-12 μm。
优选地，所述金属光栅阵列的顶部宽度W1和底部宽度W2的比值范围为0-0.67。
优选地，所述金属光栅阵列为金属银光栅阵列或金属镍光栅阵列。
发明原理：本发明的单通道夜间被动式辐射冷却膜与被冷却物体接触，被冷却物体的热辐射经传导层和金属光栅阵列被辐射冷却膜的聚二甲基硅氧烷材质的基底层吸收并同步将热量经8-13 μm的特定波段的“大气窗口”发射出去，与此同时，外部环境（大气、灰尘等）诱发的再次热辐射入射（背入射）被辐射冷却膜的金属光栅阵列反射并阻断，即金属光栅阵列起到“单方向通过”的作用，只允许被冷却物体的热辐射单向传输到外部宇宙空间，形成“单通道”辐射冷却，起到辐射降温的作用。有益效果：与现有技术相比，本发明的一种通道夜间被动式辐射冷却膜具有单向传输的“单通道”辐射冷却特性，而且还具有超薄、柔性、环境友好等优点，可应用于电子设备、机械部件等无法采用主动式冷却降温手段的场合。
附图说明
图1实施方式1中单通道被动式辐射冷却膜结构示意图；
图2是实施方式1中单通道被动式辐射冷却膜的红外发射率和背入射透射率曲线；
图3是实施方式2中单通道被动式辐射冷却膜结构示意图；
图4是实施方式2中单通道被动式辐射冷却膜的红外发射率和背入射透射率曲线；
图5是实施方式3中单通道被动式辐射冷却膜的红外发射率和背入射透射率曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细的介绍。
实施方式1：
本实施方式提供了一种单通道被动式辐射冷却膜，如图1所示为其结构示意图。在本实施方式中，首先采用本领域公知的光栅刻线机在石英基底上制备一维周期性锥形微米金属光栅阵列3，然后通过本领域公知的纳米压印技术将金属光栅阵列3转移到材质为聚二甲基硅氧烷的基底层2上，基底层2的厚度H2为15 μm。通过调控工艺参数，使得金属光栅阵列3的周期P为10 μm，金属光栅阵列3的高度H3为6.67μm，顶部宽度W1和底部宽度W2分别为1.4μm 和6.67μm。接着，采用银浆涂布、烧结工艺制备出内嵌的一维锥形金属银光栅阵列。最后，采用本领域公知的电子束沉积方法在基底层2底面沉积厚度H1为50nm的材质为SiC的传导层1。当被冷却物体的热辐射正入射到本单通道被动式辐射冷却膜时，热辐射经传导层1和金属光栅阵列3被辐射冷却膜的基底层2吸收并同步将热量经8-13 μm的特定波段的“大气窗口”发射出去，（如图2所示，在8-13μm的特定波段的平均红外发射率为82.1%），与此同时，在相同的特定波段，由环境（大气、灰尘等）导致的再次热辐射入射（背入射）被辐射冷却膜的金属光栅阵列3反射并阻断，再次热辐射的平均透过率小于1%，从而实现了被冷却物体的热辐射单向传输，达到辐射冷却的效果。
实施方式2：
本实施方式提供了一种单通道被动式辐射冷却膜，如图3所示为其结构示意图。在本实施方式中，采用同实施方式1相同的、本领域公知的技术手段在石英基底上制备一维周期性锥形微米金属光栅阵列3。通过调控工艺参数，使得金属光栅阵列3的周期P为13 μm，金属光栅阵列的高度H3为8.67μm，顶部宽度W1和底部宽度W2分别为0 和8.67μm。接着，同样采用银浆涂布、烧结工艺制备出内嵌的一维锥形金属银光栅阵列。最后，采用本领域公知的电子束沉积方法在聚二甲基硅氧烷的基底层2底面沉积厚度H1为80nm的材质为ZnS的传导层1。如图4所示，当被冷却物体的热辐射正入射到本单通道被动式辐射冷却膜时，经传导层1和金属光栅阵列3被辐射冷却膜的基底层2吸收并同时经过大气窗口发射出去，此时在“大气窗口”的平均红外发射率为83.4%，同样，环境导致的再次热辐射（背入射）由于金属光栅阵列3的“单通道”作用，再次热辐射的平均透过率仅为0.75%，实现了被冷却物体的热辐射“单通道”传输。
实施方式3：
本实施方式提供了一种单通道被动式辐射冷却膜，如图1所示为其结构示意图。采用同实施方式1相同的、本领域公知的技术手段在石英基底上制备一维周期性锥形微米金属光栅阵列3。通过调控工艺参数，使得金属光栅阵列3的周期P为40μm，金属光栅阵列3的高度H3为10μm，顶部宽度W1和底部宽度W2分别为2μm 和10μm。接着在基底层2上的金属光栅阵列3凹槽内烧结制备成金属镍光栅阵列。最后，采用本领域公知的热蒸发方法在基底层2底面沉积厚度H1为20nm的材质为Al2O3的传导层1。如图5所示，当被冷却物体的热辐射正入射到本单通道被动式辐射冷却膜时，经传导层1和金属光栅阵列3被辐射冷却膜的基底层2吸收并同时经过大气窗口发射出去，此时在“大气窗口”的平均红外发射率为80.9%，同样，环境导致的再次热辐射（背入射）由于金属光栅阵列3的“单通道”作用，再次热辐射的平均透过率仅为0.88%，也实现了被冷却物体的热辐射“单通道”传输。
上述实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种单通道被动式夜间辐射冷却薄膜，其特征在于：包括由下至上依次设置的传导层（1）和材质为聚二甲基硅氧烷的基底层（2），在所述基底层（2）内嵌入一维周期性锥形微米金属光栅阵列（3）。
2.根据权利要求1所述的单通道被动式夜间辐射冷却薄膜，其特征在于：所述传导层（1）的材质为硫化锌ZnS、碳化硅SiC或三氧化二铝Al2O3。
3. 根据权利要求1所述的单通道被动式辐射冷却复合材料薄膜，其特征在于：所述传导层（1）的厚度H1为20-80 nm。
4. 根据权利要求1所述的一种单通道被动式夜间辐射冷却薄膜，其特征在于：所述基底层（2）的厚度H2为15-40 μm。
5. 根据权利要求1所述的一种单通道被动式夜间辐射冷却薄膜，其特征在于：所述金属光栅阵列（3）的周期P为10-15 μm。
6. 根据权利要求1所述的一种单通道被动式辐射冷却复合材料薄膜，其特征在于：所述金属光栅阵列（3）的高度H3为6-12 μm。
7.根据权利要求1所述的一种单通道被动式夜间辐射冷却薄膜，其特征在于：所述金属光栅阵列（3）的顶部宽度W1和底部宽度W2的比值范围为0-0.67。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的一种单通道被动式夜间辐射冷却薄膜，其特征在于：所述金属光栅阵列（3）为金属银光栅阵列或金属镍光栅阵列。
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