多层薄膜材料在被动辐射制冷领域的应用及发展趋势 .pdfVIP

多层薄膜材料在被动辐射制冷领域的应

用及发展趋势

摘要：辐射制冷作为无源制冷技术，具有被动、高效、可再生的优势，是建

筑制冷与节能领域的研究热点。本文对辐射冷却的冷却原理做了简单回顾，以多

层膜结构的辐射体为研究对象，介绍了近年来多层膜材料在日间辐射制冷领域的

应用。最后对今后多层膜辐射冷却材料的发展趋势进行展望。

关键词：辐射冷却；多层薄膜材料；日间辐射制冷

0.引言

传统的主动制冷型设备在工作时都会大量地使用各种CFCs、HCFCS、HFC等

[1][2]

材料作为工质，这已经对地球的臭氧层及全球气候造成了严重的影响。辐射制

冷就是利用地球大气层特殊的光谱性质，以太空作天然冷库，采用热辐射的方式

将地面上的热量辐射到外太空去。该冷却方法即解决了传统主动制冷的污染问题，

又克服了传导及对流冷却排出的热量仍停留在地表附近的问题。按照功能来分类，

可以将辐射制冷分成夜间辐射制冷和日间辐射制冷。目前夜间辐射制冷技术已经

发展地较为完善。相对而言，日间辐制冷要比夜间制冷更有用，但也更难以实现。

多层膜是由两种或多种材料交替沉积（金属-金属、金属-半导体或其他材料）

形成的宏观的平面结构，其各层的微观结构由制膜材料、制备方法及工艺条件决

定，常见的微观结构有晶体、非晶体或超晶格。我国多层膜的研究自80年代开

始，从理论、制备工艺、设备研制、分析测试技术到应用，早已经形成一个完整

的研究领域。近年来，随着相关人员提出多层膜材料可以应用于辐射制冷技术，

多层膜的制备技术以及多层薄膜在辐射制冷领域的应用又成为了研究热点。

1.被动辐射制冷

1.1被动辐射制冷技术

众所周知，地球大气层外宇宙空间的温度接近绝对零度（3K），如果我们可

已通过热辐射将地球上的热量传输到外部空间，我们就可以在不消耗能源的情况

下实现被动冷却。8~13um波段一直以来被称为“大气窗口”，在此波段内，大气

层对辐射的吸收能力极差，所以只要找到在此波段具有高发射率的辐射材料，就

[3]

可实现辐射制冷。

被动辐射制冷技术就是基于选择性辐射材料制造的制冷装置，其净制冷功率

()取决于材料本身的对外太空的热辐射能力()、太阳对地面的辐射

()、大气层对地面的热辐射()、制冷装置的周围环境对装置的热对流和

热传导()之间的关系。我们可以得出以下的等量关系：

图1日间辐射制冷装置传热模型

当0时，即选择性热辐射材料的制冷功率大于其他所有对材料的热

辐射功率之和，就实现了辐射制冷的效果；当=0的时候，热辐射的温度

降低到稳定状态。

1.2日间辐射制冷系统发展现状

被动辐射冷却体（即选择性红外辐射体）由于能够提高辐射制冷效率目前已

经被广泛研究。大部分选择性红外辐射体的设计是在太阳光谱波段具有高反射率，

同时只在大气透明窗口发射。用于作为选择性红外辐射体的材料主要可分为六大

类：(1)周期性的纳米结构材料[4-6]。(2)聚合材料[7-9]。(3)仿生涂层材料[10-12];(4)

多孔材料[13];(5)纺织纤维材料[14];近几年的研究表明，日间辐射制冷也可以通过多

层薄膜材料来实现，这使得多层膜在日间辐射制冷领域的应用成为了研究热点。

2.多层膜材料在辐射制冷领域的应用

[15]

使用多层膜材料实现日光下的辐射制冷技术在2014年取得突破，多层膜材

料是由多层不同的材料层组成的一个宏观的平面结构，一般由太阳光反射层和红

外发射层组成[15-17]。反射层负责最大程度的反射太阳入射光，减小太阳能的输入

[

功率，一般选择金属Ag、Al、Cu等。发射层作为辐射制冷系统的核心层，负责

[

在8~13um