[发明专利]红外辐射致冷帽

说明书

技术领域

本发明涉及一种红外辐射致冷帽，属生活用品技术领域。

背景技术

在炎热的夏季，帽子可以起到遮阳的作用。但在阳光的直接照射下，帽子会因吸收阳光而升温，帽子外表面的温度往往大幅度超过环境温度。同时有的帽子因内部通风不畅，导致戴帽者头部温度过高、闷热、出汗、感到不舒服甚至中暑。尽管已有通过提高阳光反射率以及利用太阳能驱动风扇降温的文献报道，但前者只能减少阳光的吸收，帽子还是不断从阳光中获得热量导致热量的积累和温度的升高；后者风扇所提供的风来自周围的空气，不可能提供比环境温度更低的冷却方案。近来来，一种新颖的制冷方式引起了人们的兴趣，并寄希望将该技术用于建筑物的无电冷却上。该制冷方式的原理为：根据普朗克黑体辐射定律，任何温度高于绝对零度的物体都会以电磁波的形式向外界辐射热能，物体由于向外辐射能量而导致自身温度降低，这就是辐射冷却。斯蒂芬-波尔兹曼指出，黑体的全辐射功率与它的绝对温度 4 次方成正比，据计算，1平方米的绝对黑体在300K时在全波段辐射出460W辐射能量。如果该黑体只辐射而不从环境中吸收能量，该黑体将会以显著的速度降低温度。在理论上，辐射冷却可以被用来开发出无需电能也不需要依赖外在能源制冷技术，这种技术就是辐射致冷技术。

目前，辐射致冷技术在解决两个最基本的问题后有了显著的进步。这两个问题是：第一，如何有效地将热量以红外辐射的方式发射出去；第二，实际的辐射致冷系统在向外界辐射热能的同时也在吸收热辐射及阳光照射。在夜间，致冷系统可能因为吸收环境中的辐射而降低效率；在白天阳光的照耀下，如果吸收的太阳及环境的热辐射大于其自身向外的热辐射，系统总效果将使本身温度升高，完全达不到制冷的目的，这意味着必需要有高效的反射系统，反射阳光及环境热辐射。

2014年，斯坦福大学Shanhui Fan教授研究小组在解决以上两个问题时取得了突破性进展，其工作发表在《Nature》 Vol 515, pp540–544 (27 November, 2014) 题目为“Passive radiative cooling below ambient air temperature under direct sunlight”，文中用二氧化硅和二氧化铪两种材料的不同厚度的薄膜周期交替形成共七层的层状结构。这种层状结构不仅能够将高达97%的阳光反射，从而尽量避免由于受到日晒而升温，而且它可以通过辐射8-13微米波长的红外线向外界释放能量。8-13微米波长的红外线是一个大气的红外窗口，这一波段的红外线不会被大气层吸收，可直接到达温度更低的外太空。实验表明，即便在白天且处于太阳直射的情况下，这种层状结构仍然能够将覆盖在它下方的物体的温度降低5摄氏度。本研究成果首次将即使在日光直射下的辐射制冷变成可能。科罗拉多大学的Xiaobo Yin等对Shanhui Fan的工作进行了改进，获得了更高效廉价并可大规模生产的薄膜，论文发表在2017年3月的《科学》杂志上题目为“Scalable-manufactured randomized glass-polymer hybrid metamaterial for daytime radiative cooling”。该薄膜由聚甲基戊烯（TPX)透明塑料制成，他们在TPX中掺入细小的二氧化硅微珠，把制成品拉成约50微米厚的薄片，再将面镀上银，镀银的一面朝下，96%的太阳光就会被复合材料反射回去，同时，以红外特别是8-13微米的大气红外窗口向太空辐射出热能，其辐射制冷的功率大约为100W/M²。具体辐射功率随着昼夜循环以及阳光强度不同而有所不同。尽管已有人试着将此红外辐射致冷系统安装在建筑物的屋顶，希望起到降温节能的作用，但至今尚未有人尝试将红外辐射致冷原理用于帽子上，在帽子的公开专利文献中也未见类似系统的报道。

发明内容

本发明的目的是，为降低在夏季中帽子内外表面的温度，运用阳光全反射及红外辐射致冷技术，本发明公开一种红外辐射致冷帽。

本发明实现的技术方案如下：一种红外辐射致冷帽，在帽子的外表面分层覆盖对阳光接近全反射的材料以及红外转化辐射致冷材料，组成降温冷却系统；所述致冷帽在帽体的外表面设置了四层功能材料，从外至内分别是高密度聚乙烯层（HDPE）、红外转化及红外辐射层、高效率阳光反射层、与帽体的粘结层；所述红外转化及红外辐射层将热量转化为红外辐射；高效率阳光反射层将阳光反射出去；所述高密度聚乙烯层将帽子与上层空气隔离，对下层材料起到保护作用，并减少周围空气对帽体直接的热交换。