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制冷散热技术[2]:辐射制冷

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发表于 2021-8-10 22:00:09 | 显示全部楼层 |阅读模式
     热辐射是热传导、热对流之外的一种基本传热方式。它是指物体表面直接向外界发射可见和不可见射线(电磁波)从而在空间传递能量的一种现象。辐射制冷是基于热辐射原理,使温度较高的物体向外界辐射能量,以此来降低自身温度,进而达到制冷散热的目的。
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图1 辐射制冷技术在航天领域内的应用
辐射制冷技术在空间、地面等多场景都有着重要的应用价值,尤其在航天领域。在宇宙空间工作的各种类型卫星,大都装载有处于低温状态工作的红外探测器。如何在宇宙空间中对红外探测器进行散热,保证其稳定可靠的探测性能,是一项挑战性的难题。国外从20世纪60年代初就开始研究空间辐射制冷技术,以期将其应用在宇宙飞船等航天飞行器中。1966年,单级方锥形辐射制冷器首次应用在美国雨云Ⅰ号卫星上,用于冷却高分辨率红外辐射计。此后,世界各国先后在发射的极轨气象卫星、静止气象卫星、陆地资源卫星和海洋卫星上应用了各种结构形式的辐射制冷器,均获得良好的制冷散热效果。虽然辐射制冷器本身的散热功效有限,如1981年研制的二级抛物面W型制冷器,是运行性能较好的制冷器之一,其制冷温度为87K,制冷量仅为85mW。但是,辐射制冷器本身具有无功耗、无机械振动、无电磁干扰以及寿命长等优点,使得其在宇宙空间散热领域仍然占有一席之地。
此外,辐射制冷技术在工业和民用领域也有一定的应用和发展。比较具有代表性的工作是华中科技大学团队发明的一种辐射制冷超材料薄膜,如图2所示。该材料是通过红外电磁波的形式向外界辐射能量从而达到制冷的效果。其发射频道是8-14μm的波长段,在这个波段内红外发射率极高,可达93%,几乎等同于理想黑体。而且,这种材料使用方法简便,只需将其覆盖在需要被降温物体的表面,与它接触的物体就可降温10-16℃,效果显著,可应用于冷链物流、机场、粮库等多个场景。
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图2辐射制冷超材料薄膜微观结构[源于网络]
除上述应用场景外,辐射制冷技术在热电发电机上也有了一些最新的应用研究进展。热电发电机,即温差发电机,是一种依靠在热电器件的两端施加温差从而在回路中产生电流实现温差发电的装置。在实际使用的过程中,由于环境温度时刻在变化,温差发电机常常出现两端温差不足而电压降为零的情况。为解决这一问题,日本科学家在热电器件上加装了选择性热辐射器,使器件的一端通过辐射制冷的方法散热降温。由于辐射制冷效应,热电器件的两端就有了明显的温差,让其时刻保持着稳定的电压运行工作。
随着科研工作深入,辐射制冷技术的应用场景将不断扩大。对于辐射制冷技术发展,我们将拭目以待。
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