[发明专利]被动辐射冷却的制造方法、结构及用途

说明书

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。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2018年4月16日提交的美国临时专利申请No.62/658,146的权益。本申请的全部公开内容通过引用并入本文。

技术领域

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

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。

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 directsunlight”，《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。

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。

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。

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。

发明内容

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。