被动辐射冷却的制造方法、结构及用途与流程

本发明涉及基于被动辐射冷却的结构，用途和方法。如本文所用，通过使用发射与地球大气层或其他周围环境/围场中的透明窗口相对应的波长的设备来实现被动辐射冷却。例如，可以使用在7微米至13微米范围内的红外(ir)波长发射的材料在室外实现被动辐射冷却。

背景技术：

1、在被称为“温室效应”的现象中，大气以电磁辐射的形式吸收热量。但是，并非所有辐射波长都被均等地捕获。例如，在波长大约为7μm至13μm之间的红外辐射波长处存在一个所谓的“大气窗口”，在该位置处，地球表面发射的辐射离开大气层。从热力学的角度来看，这些“大气窗口”的结果是，从地球表面的物体以这些波长发射的热辐射将传递到空间的冷阱。以这种方式，被动发射冷却可用于降低星球表面的物体的温度，这与蒸发冷却可用于降低干燥气候中的温度一样。

2、在夜间和白天这两种条件下都已经证明了辐射冷却，raman等人，“passiveradiative cooling below ambient air temperature under direct sunlight”，《自然》，第515卷，2014年11月27日，第540-544页，描述了一种在大气窗口发射的同时使用反射入射光的七层hfo2和sio2的热光子方法。通过这种方法，他们展示了在阳光直射下超过5摄氏度的屋顶上的冷却效果。从那时起，这个小组展示了辐射冷却的几种不同版本的材料，包括可见的透明蚀刻二氧化硅光子晶体版本。

3、然而，拉曼的方法对于具有以下几点要求的商业应用而言并不是很实用，包括：材料成本低，为了易于应用具有一定灵活性，顶面平滑以防止灰尘堆积，同时耐用性也有要求，以便于户外环境的使用。本发明的一个方面是提供冷却能力高的实用且性价比高的辐射冷却结构。

4、在美国专利申请us 2017/0248381中，描述了一种光谱透明但模糊的辐射冷却结构，其中非聚合物颗粒随机地嵌入聚合物基体中。粒径的优选范围与1μm至30μm之间的球形颗粒的平均有效直径相对应。颗粒与聚合物基体之间的体积百分比的优选范围为2％至25％。虽然在上述尺寸范围和体积百分比内的颗粒非常适合于捕获和发射7μm至13μm波长范围内的ir辐射，但是光散射是导致透明性明显降低的问题。

5、冷藏货物温度控制的卡车拖车中的产品需要消耗大量能量。冷藏卡车运输业每年在燃料上的花费超过$30b，使燃料成为了他们最大的支出之一，甚至多于人工支出。此外，燃烧如此大量的柴油所产生的废气导致87mmt的二氧化碳当量排放(不包括制冷剂产生的排放，以及传统冷却方法产生的废热的影响)，并使冷藏货运行业成为美国最大的污染源之一。即使将冷藏卡车拖车的燃料需求减少一些，也可以显著提高车队所有者的获利能力，同时还可以大大减少污染排放。

技术实现思路

1、根据本发明的方面，被动辐射冷却可以用于冷却室外表面，并且可以通过抵消来自诸如发动机，电子设备，化学反应和太阳(例如大功率电子设备，包括变压器，包括窗户在内的建筑围护结构，太阳能光伏和电池存储，包括电动汽车在内的运输，净水/蒸馏)的热量来提高系统效率。本发明的另一方面是提供对可见光透明的有效辐射冷却结构。

2、根据本发明的优选实施例，被动辐射冷却结构以柔性膜的形式提供，该柔性膜对可见光透明，并且被配置为吸收和发射在对地球大气透明的波长处的红外辐射。柔性膜可以由单一基材制成，或者其可以掺入大于25％的嵌入材料(按体积计)。

3、在一些实施例中，柔性膜可以掺入直径大于30μm的基本上球形的颗粒。在其他实施例中，可以掺入具有非球形形状的颗粒，并且其平均每颗粒体积大于约14,200μm3，并且掺入的颗粒足够小以适合在膜的顶表面和底表面之间。

4、在一些实施例中，掺入的颗粒可以以有序的重复方式布置在片材内，并且在其他实施例中，掺入的颗粒可以以更随机或无序但确定的方式分布。

5、在一些实施例中，柔性膜由透明塑料片形成，并且掺入的颗粒由石英玻璃制成。在一个优选的实施例中，颗粒由熔融石英玻璃制成。

6、在一些实施例中，嵌入颗粒是圆柱形的凹面或凸面侧壁结构，每个侧壁结构具有由第一圆形区域圆周界定的第一圆形区域和由第二圆形区域圆周界定的第二圆形区域，其中第一圆形区域圆周和第二圆形区域圆周通过侧壁表面连接，并封闭连接第一圆形区域和第二圆形区域的内部容积，并且其中第一和第二圆形区域平行于膜表面取向。

7、在一些实施例中，由透明柔性膜制成的被动辐射冷却结构设在面板的顶部，以便充分地冷却面板中的太阳能电池并增加将光转换成电能的效率。

8、在其他实施例中，透明柔性膜包括一中单片材料，其中在两个平行表面中的一个或两个上存在蚀刻。蚀刻可以可选地由另一种材料填充，该另一种材料的折射率与周围介质更相似，以改善表面之间的耦合。

9、在另一优选实施例中，被动辐射冷却结构包括一个或多个冷却堆叠。冷却结构的每个冷却堆叠均配置有波导层，配置为吸收和发射对地球大气透明的波长处的红外辐射的发射层以及导热层。在该实施例中，发射层夹在波导层和导热层之间。导热层与待冷却的热源热接触。这可以是直接的或通过导热界面。导热层可被配置为基本上与待冷却的热源垂直。可在待冷却的水平或竖直表面上使用这些结构。

10、在另一个实施例中，被动辐射冷却的每个冷却堆叠包括两个波导层和两个发射层，每个发射层被配置为吸收和发射在对地球大气透明的波长处的红外辐射，其中，波导层形成堆叠的外层，两个发射层形成堆叠的下一个最外层，并且其中堆叠的内芯是夹在两个发射层之间的导热层。可在待冷却的水平或竖直表面上使用这些结构。

11、根据本发明的另一实施例，一种冷藏容器包括被动辐射冷却结构，该被动辐射冷却结构被配置为吸收和发射在冷藏容器的外部大气是透明的波长处的红外辐射，以便减少量冷藏容器所需的能量。对于由柔性膜制成的被动辐射冷却结构，可以在膜下方插入反射层。在其他实施例中，被动辐射冷却结构位于热开关层的顶部，该热开关层与容器的顶板热接触，其中，热开关层包括通道，该通道可替代地填充有导热流体和隔热流体。在另一优选实施例中，使用透明的被动辐射冷却结构覆盖一个或多个容器侧壁，从而既增强了被动冷却能力，又允许通过透明结构看到容器的侧壁上的广告或其它信息。

12、在另一实施例中，被动辐射冷却结构被配置为冷却各种结构和装置，包括但不限于变压器、墙壁、屋顶、制造业中的冷却器、冷却塔、服饰、包括电动车辆在内的车辆、遮阳板结构、喷泉和电池。

技术特征：

1.一种被动辐射冷却结构，包括：

2.根据权利要求1所述的被动辐射冷却结构，其特征在于，所述柔性膜包括第二材料的柔性片，所述第二材料的柔性片结合了作为嵌入颗粒的所述第一材料，所述嵌入颗粒的平均每颗粒体积大于14,200μm3。

3.根据权利要求1或2中任一项所述的被动辐射冷却结构，其特征在于，所述嵌入颗粒是球形颗粒。

4.根据权利要求3所述的被动辐射冷却结构，其特征在于，所述球形颗粒被抛光或快速加热以最小化表面粗糙度。

5.根据权利要求3所述的被动辐射冷却结构，其特征在于，所述嵌入颗粒是弯曲的侧壁结构，每个弯曲的侧壁结构包括由第一圆形区域圆周界定的第一圆形区域和由第二圆形区域圆周界定的第二圆形区域，其中所述第一圆形区域圆周和所述第二圆形区域圆周通过凹面连接，并封闭连接所述第一圆形区域和所述第二圆形区域的内部空间，其中，所述第一圆形区域面向与所述第一表面平行的方向，所述第二圆形区域面向与所述第二表面平行的方向。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的被动辐射冷却结构，其特征在于，所述被动辐射冷却结构定位在面板的表面附近，以便充分冷却所述面板中的太阳能电池，以增加将光转换为电能的效率。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的被动辐射冷却结构，其特征在于，所述嵌入颗粒占据所述柔性膜的体积百分比小于73％。

8.一种被动辐射冷却结构，包括：

9.根据权利要求1、2、3、4、5、7或8中任一项所述的被动辐射冷却结构，其特征在于，还包括与所述柔性膜接触的反射背层。

10.根据权利要求8所述的被动辐射冷却结构，其特征在于，其定位在面板的表面附近，以便充分冷却所述面板中的太阳能电池，以提高将光转换成电能的效率。

11.根据权利要求1、2、3、4、5、7、8、9或10中任一项所述的被动辐射冷却结构，其特征在于，还包括对地球大气透明的波长透明的窗口，其中所述窗口安装在所述柔性薄膜上。

12.根据权利要求8至11中任一项所述的被动辐射冷却结构，其特征在于，所述第一表面和所述第二表面中的一个或两个被抛光或快速加热以最小化所述柔性膜的表面粗糙度。

13.根据权利要求8至12中任一项所述的被动辐射冷却结构，其特征在于，还包括适形材料层，该适形材料层沉积在所述第一表面和/或所述第二表面上。

14.一种容器，包括：

15.根据权利要求14所述的容器，其特征在于，还包括一反射层，所述反射层夹在所述外表面和所述被动辐射冷却结构之间。

16.根据权利要求14所述的容器，其特征在于，所述被动辐射冷却结构包括多个堆叠，每个堆叠都配置有夹在波导层和导热层之间的发射层，并且所述容器还包括一热转换层，该热转换层位于所述外表面和所述被动辐射冷却结构之间。

17.根据权利要求16所述的容器，其特征在于，所述热转换层包括多个通道，所述多个通道构造成可替代地填充有导热流体和隔热流体。

18.根据权利要求14所述的容器，其特征在于，还包括一透明被动辐射冷却结构，位于侧壁中的至少一个上。

19.根据权利要求1至13中任一项所述的被动辐射冷却结构，其特征在于，其利用被动温差增大来增加太阳能蒸馏器或水净化装置的通过量。

技术总结
被动辐射冷却结构和用这种冷却结构制造的设备，该设备可以满足节约能源的需求。一种对可见光透明的柔性膜，包含颗粒，颗粒的体积百分比大于25％，以便吸收和发射在对地球大气透明的波长处的红外辐射。另一种对可见光透明的膜又薄又柔韧，并被配置为可以吸收和发射在对地球大气透明的波长处的红外辐射，其中一个或两个表面上都有蚀刻或沉积。一种高效的冷却结构，具有夹在波导层和导热层之间的发射层。太阳能电池板被透明的被动辐射冷却膜覆盖。容纳主动冷却单元的容器在一个或多个外表面上结合了被动辐射冷却结构。

技术研发人员：罗米·M·费恩
受保护的技术使用者：罗米·M·费恩
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15