采用辐射冷却技术的散热器，适用于户外散热需求

《Materials Today Physics》：Radiative cooling enabled heat sinks for outdoor heat dissipation

户外设备散热需解决高功率密度与高温问题，辐射冷却（RC）通过反射太阳光和发射红外热辐射实现无电冷却。本研究设计RC辅助散热方案，耦合辐射冷却与热传导，采用聚酰亚胺（PI）基板通过相分离法制备高太阳反射率（0.979）与高红外发射率（0.908）的RC涂料，实验表明可降低工作温度至58.8℃，优于全发射体和全反射体样品。

　　

秦叶|傅星|严宏杰|李玉婷|黄荣宗

中国中南大学能源科学与工程学院

摘要

由于高功率密度和阳光下的环境温度，户外设备的散热问题变得更加严重。辐射冷却（RC）通过反射太阳辐射并将热量散发到寒冷的外太空，提供了一种无需电力的冷却方法，因此受到了广泛关注。然而，在高于环境温度的条件下如何提高其工作稳定性和散热性能仍然是户外散热领域的一个挑战。在这项工作中，设计了一种结合辐射冷却和热对流的RC辅助散热器方法。与具有全发射率和全反射率的参考样品相比，具有选择性光谱的RC涂料可以显著提高散热性能。通过相变分离制备了一种在230°C以上仍具有高温度稳定性的多孔聚酰亚胺薄膜，该薄膜在铝基板上具有0.979的太阳反射率和0.908的中红外热发射率。室内实验表明，RC辅助散热器能够将最大工作温度降低到58.8°C，低于全发射率参考样品的63.8°C和全反射率参考样品的64.8°C。室外实验也证实了散热器表面的选择性光谱设计可以降低工作温度。这项工作为开发用于户外散热应用的RC辅助散热器技术提供了一种潜在的方法。

引言

户外设备的散热至关重要，以确保其稳定和安全运行。高热功率密度和环境温度会增加热失控的风险，尤其是在夏季阳光照射下[1]。传统的冷却技术（如空调）通常会消耗大量燃料或电力。最近，辐射冷却（RC）作为一种无需电力的冷却方法引起了广泛关注[2]，它具有高太阳反射率（0.3 ? 2.5 μm），可以避免太阳加热，并且在大气的长波红外（LWIR）传输窗口（8 ? 13 μm）具有高热发射率，从而将热量散发到寒冷的外太空（约3 K）[3]、[4]。在实际应用中，如散热[7]、集水[9]、[10]等[11]、[12]，太阳反射率和热发射率至少应大于0.9。

为了实现RC的选择性光谱，常用的策略是使用亚微/纳米散射体（如纤维、孔隙、球体、核壳结构）来提高太阳反射率[13]、[14]、[15]。这些介电材料（如二氧化硅（SiO₂）、六方氮化硼（hBN）、氧化铝（Al₂O₃）或聚合物（如聚偏二氟乙烯-六氟丙烯（PVDF-HFP）、聚二甲基硅氧烷（PDMS）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚醋酸乙烯酯（PVA）在太阳光谱中的吸收能力很小，其介电常数的虚部接近零[16]、[17]。此外，这些材料中功能基团或化学键的固有吸收会导致高中红外热发射率[18]、[19]。为了实现近乎完美的性能，还需要进一步的结构或材料优化[20]、[21]、[22]，例如多尺寸结构、混合材料或皱褶结构[23]。在RC辅助散热中，我们之前的工作设计了一种双层高导热柔性薄膜，由于裸露聚合物基材的低导热性，该薄膜将局部工作温度从130.6°C降低到了63.3°C[24]。为了形成RC薄膜，通常使用粘合聚合物，但由于这些聚合物的软化温度较低，会削弱其热稳定性[25]、[26]。最近，一些纯介电纤维（如SiO₂和Al₂O₃）被设计用来提高RC薄膜的热稳定性[27]、[28]，并且通过退火处理去除聚合物（如PVDF-HFP和PVA），但这会降低机械拉伸性能，并使得在没有粘合剂的情况下难以在金属基材上涂层。因此，开发具有高温度稳定性的RC涂料并提高高于环境温度的散热性能仍然是户外散热应用面临的挑战[29]。

在这项工作中，通过结合热辐射和热对流，设计了一种用于户外散热的RC辅助散热器方法。基于聚酰亚胺（PI）的热稳定RC涂料通过相变分离制备，在铝（Al）基板上具有0.979的太阳反射率和0.908的中红外热发射率。理论分析表明，与具有全发射率和全反射率的参考样品相比，具有选择性光谱的RC涂料可以显著提高散热性能。室内和室外实验也证实了散热器表面的选择性光谱设计可以降低工作温度。这为开发用于户外散热的被动冷却技术提供了一种潜在的方法。

部分摘录

散热的概念和理论分析

对于户外设备的散热，通常使用基于导热金属Al或Cu的散热器（如3D或2D鳍片）来通过热对流增强散热性能。然而，这些金属的低热发射率会削弱热辐射的散热效果。通常，会采用黑色处理来提高散热器的热发射率。然而，由于户外环境的高温度，这种处理并不适用。

结论

在这项工作中，通过结合热辐射和热对流，设计了一种用于户外散热的RC辅助散热器方法。理论分析表明，与具有全发射率和全反射率的参考样品相比，具有选择性光谱的RC可以显著提高散热性能，适用于不同的场景（如室内或室外、低或高工作温度）。这种热稳定的RC涂料

详细计算

对于辐射冷却，薄膜在0.3?2.5 μm的波长范围内应具有高太阳反射率，以最小化太阳加热；同时在大气的长波红外传输窗口（约8?13 μm）内具有高热发射率，以增强向寒冷外太空的热辐射。因此，可以通过以下公式计算平均太阳反射率和热发射率来评估冷却性能：

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