辐射制冷技术文献调研文献综述

摘要：夜空辐射制冷利用低温夜空与辐射表面进行长波辐射换热,无需消耗大量能源,是一种节能潜力巨大的新技术。空间辐射制冷是利用宇宙空间自然的高真空、深低温和黑热沉等有利条件，通过辐射传热原理，使制冷器不断向空间辐射热量,同时尽可能多地屏蔽外部热流，以达到被动制冷的目的^[1]。辐射制冷器具有以下突出优点:寿命长,可适应空间飞行任务的时间要求；无功耗,省去卫星的有限能源供给；无运动部件，具有较高的可靠性和稳定性；无机械振动和电磁干扰，对探测器件的工作性能没有影响。夜空辐射器的强化换热是当前研究的焦点,特别是表面辐射的强化换热做了大量研究工作，本文将在前人的研究基础上，分析辐射制冷表面结构对制冷结果的影响并设计出效率较高的一种辐射制冷结构，同时对其水收集效率进行评估。

关键词：辐射制冷 表面结构 水收集效率

选题背景以及研究意义

选题背景

目前，我国已经拥有家用空调1亿台，商业空调120万台，空调能耗占全国耗电量的15%左右，夏季用电高峰期，空调用电量甚至达到城镇总用电量的40%^[2]。由此可见，空调方面的节能降耗，以及研究开发制冷降温的新方法、新技术，是刻不容缓的任务，探索研究降低空调能耗的方法已成为新的研究方向辐射制冷作为一种无能耗的建筑物空调手段，得到了蓬勃的发展，表现出了明显的实际意义，并被预言给能源领域带来重大的变革，使人类在环境保护和能源利用两方面得到和谐的发展。由科学家对大气光谱透过特性的分析可以知道，大气层对不同波长的电磁波有不同的透射率，透射率较高的波段称为“大气窗口”，例如:，，等，如图1-1所示。

图 1-1

其中波段是人们最感兴趣的，因为常温下的黑体辐射主要集中在这一段。地表上物体的热能就是通过辐射换热，将自身热量以电磁波的形式通过“大气窗口”排放到温度接近绝对零度的外部太空，达到自身冷却的目的。通常把这种完全以辐射方式将热量释放到宇宙空间的制冷方式称为辐射制冷。

研究意义

能源一直是人类赖以生存和推动社会进步的重要物质基础。20世纪以来，随着经济的发展，世界范围内能源消耗量呈几何指数上升，能源匮乏的现象已成现实。在日常生活领域，建筑能耗占国内能耗的比重是反映一个国家经济发展水平的重要指标，按照发达国家建筑能耗增长的历程来看，我国目前正处于建筑能耗高速增长时期。为了应对能源需求不断攀升的局面，解决能源开发利用带来的环境污染等问题，我国已将“节能减排”、“创建资源节约型和环境友好型社会”作为保证经济与社会健康、平稳发展的重大问题来抓。冷暖辐射结合的系统方式近年来成为中国乃至世界暖通人士的研究热点及重点。辐射供冷主要依靠冷辐射面提供冷量使室温下降,可降低室内垂直温度梯度提高人体舒适感^[3]。辐射采暧供冷由于其独特的传热模式而成为一种新型的空调系统，辐射供冷可与辐射供暖采用同一套系统，大大减少初投资，更利于地板辐射的推广应用，辐射供冷比空调供冷更加舒适，能有效避免“空调病”的出现^[4]。在军事应用领域，随着空间技术的发展,使得各种遥感仪器广泛应用于航天器上,如红外探测器、X射线、gamma;射线和亚毫米波探测器、超导量子探测器等。由于宇宙是一个高真空、约3K的低温环境,航天器上所配制的这些低温光学探测系统的温度往往高于背景温度,很容易干扰视场内的目标信号,影响探测效果。降低光学遥感系统的温度，既可减少本身的热噪声,也可屏蔽或排除视场外的热干扰，可以提高探测的精确度和灵敏度^[5]。因此低温制冷系统是对地遥感卫星和深空探测航天器不可缺少的重要组成部分,必须加大开发力度,以满足航天技术发展的急需。综上，辐射制冷技术的研究已经越来越成为世界范围内的重要课题，解决辐射制冷技术在生活及军事领域的应用问题有助于应对当前严峻的能源匮乏形势，提高能源利用效率，缓解能源危机。

国内外研究现状

2.1 辐射制冷器

辐射制冷器是依靠字宙冷黑背景降温的被动式制冷装置。自1966年首次在美国获得成功应用后，已先后开发成功了适合不同轨道的多种类型（如方锥型、圆锥型、L型、W型、V型、抛物面G型等）辐射制冷器，制冷温度由200K降低到80K，制冷量从几毫瓦提高数百毫瓦级。2002年美国发射的EOS-Apua上的平流层气体红外分光计(SWIRLS )辐射制冷器最低制冷温度可达60K，在80K获得130mW的冷量。欧空局也研制成功了抛物面G型辐射制冷器，可达到269mW/105K的在轨性能。欧空局在2002年发射的环境卫星(ENVISAT-1)上的大气制图扫描成像吸收分光计(SCIAMACHY) ，同样采用辐射制冷器为红外探测器提供可靠冷源，在123 K获得0.75 W的冷量^[2]。

2.2 固体制冷器

固体制冷器是利用固态制冷剂在空间直接升华而产生冷源的一种制冷设备，具有不消耗航天器能源、无振动、不受轨道限制、结构简单的优点。常用的制冷剂有氮、氢、氩、氖等，可制成单级或双级固体制冷器。制冷剂一般存贮在铝制容器内，通过高强度、低热导的复合材料支撑固定在外壳，内外层之间采用高效真空多层绝热，降低漏热。探测器通过导热杆与制冷器相连，所产生的气体通过排气管排到空间。双级固体制冷器是利用各种制冷剂升华潜热不同，用一种升华潜热高的工质作为辅助制冷剂来保护主制冷剂，减小漏热损失，延长工作时间^[5]。

2.3 超流氦制冷器

超流氦制冷器是利用超流氦的“热机效应”对探测器进行2.0K以下冷却的制冷系统，制冷量主要来源于液态到气态的相变潜热。空间超流氦制冷系统即可以直接服务于许多探测系统，也可以作为更低温度的制冷系统的支撑平台，如配以³He吸附制冷、³He-⁴He稀释制冷和磁制冷可获取更低的制冷温度(如 0.300~0.065 K。早在1983 年就成功应用于欧空局的红外天文卫星(IRAS)，成为最早在空间获得应用的深低温制冷技术。目前众多已飞行和正在研发的深空探测研究项目中(COBE、ISO、SIRTF、ASTRO- F、HERSCHEL等)，空间超流氦制冷依然是一种优先选择的深低温制冷技术^[6]。

2.4 机械制冷机

机械制冷机如斯特林制冷机、脉管制冷机、逆布雷顿制冷机、闭式J-T制冷机等是当前空间低温制冷技术开发的重点，并已取得突破性进展。截至目前为止，在空间已获得成功应用的长寿命机械制冷机有30多台，其中英国卢瑟福实验室研制斯特林制冷机在欧空局地球遥感卫星(ERS-2)已正常工作了14年。2台美国NGST公司研制的微型脉管制冷机在轨也正常工作了10年以上。空间机械制冷机的用途越来越广泛，已经从冷却对地观测探测器和电子器件为主，扩展用来冷却深空探测的高灵敏度探测器与低温光学系统，为空间存贮式低温制冷器提供冷屏蔽，实现空间低温液体零蒸发长期贮存(ZBO)等。机械制冷机可以制成多级制冷机，获得更低的制冷温度。一般采用两级制冷可以达到20K温区，三级制冷或两级制冷加J-T制冷可以达到液氦温区。与存贮式制冷系统相比，具有体积小、质量轻、制冷量大、操作简便的特点。

2.5 吸附制冷机

吸附制冷机是利用热开关控制吸附床加热解析与冷却吸附获得高低压气源，与J-T节流阀结合来实现制冷。其特点是工作寿命长，无运动部件，不会产生振动，可靠性较高。工作温度取决于工质气体与吸附床的种类，吸附式压缩机可远离冷端放置在航天器平台上。

美国JPL实验室已经为欧空局PLANCK探测器开发成功了20 K氢吸附低温制冷机,并于2009年发射成功,其压缩机采用6组金属氢化物吸附床和低压气体贮存器组成，每个吸附床都通过气隙式热开关控制与辐射散热器的热导通与断开。当吸附床加热到450 K时，氢气从吸附床脱附产生高压氢气，通过逆流换热器冷却至60K后在J-T节流制冷器中膨胀冷却至18K，并提供冷量。氢气冷凝后再通过逆流换热器升温至270 K，在吸附床中被吸附，完成制冷循环。该吸附式制冷机在20 K可提供1 W制冷量，总功耗370 W，采用分组工作方式，可以连续提供冷量。

采用活性炭或分子筛对³He吸附减压可以获得300 mK以下制冷温度。英国卢瑟福实验室(RAL) 为HERSCHEL空间望远镜研制成功了³He吸附式制冷机[7]。在超流氦热沉温度为1.5K时，制冷机在290mK可以获得10mu;W制冷量。制冷机工作过程中产生的各种吸附热通过气隙式热开关控制传导到超流氦热沉中,采用间断工作方式，工作保持时间70 h。

2.6 绝热去磁制冷机

绝热去磁制冷机(ADR)是利用顺磁盐的磁致热效应来制冷，由顺磁盐、高性能磁体和热开关组成。当对顺磁盐进行绝热去磁时，由于磁熵降低对外吸热，可以产生50~100mK低温。ADR操作简单，工作循环效率高，无运动部件；缺点是质量较大，强磁场产生较大的电磁干扰，通常需要采用液氦或其他冷却方式为其提供几开的低温热源。美国已经为日本ASTRO-E卫星高分辨率X射线光谱计研制成功了绝热去磁制冷机,采用1.3 K超流氦作为热沉,在60 mK可以提供0.3 mu;W制冷量,质量15 kg。

目前美国NASA正在开发可以连续工作的多级绝热去磁制冷机(CADR) ，它是通过热开关控制几台绝热去磁制冷机顺序工作，并获得连续的制冷量。日本在Astro-H卫星高分辨率X射线光谱计采用两级斯特林制冷机预冷，以³He为工质的J-T制冷器为CADR制冷器提供1.8K的热沉，研制成功了两级绝热去磁制冷机^[8]，在50mK可以提供0.4mu;W制冷量，质量仅8kg。

2.7 氦稀释制冷器

氦稀释制冷技术是利用³He-⁴He溶液特性进行制冷，由³He-⁴He混合室、蒸发器和冷凝器组成。在³He-⁴He混合室中，当³He原子从浓缩相经过相界面进入超流的⁴He中时，会产生吸热效应而制冷。氦稀释制冷机的温度可达100mK以下，制冷量可达100mu;W，与其他极低温制冷机相比，可以连续工作，具有可靠性高，操作简单，无振动和电磁干扰，工作性能稳定的特点。

氦稀释制冷机已经在2009年欧空局发射的普朗克空间探测器中获得了成功应用，其高频仪器(HFI)测热辐射计探测器就是采用³He-⁴He稀释制冷机冷却至0.1K[9]。它由3个⁴He和1个³He高压贮瓶以及控制管路组成。高压气体通过辐射制冷和J-T制冷器冷却至4.5 K后被液化，再通过一个以³He为工质的J-T制冷器预冷至1.8K，³He与⁴He液体在HFI焦平面混合室内进行稀释降温，使焦平面冷却至0.1K，制冷量为100nW，工作寿命1年。

2.8 我国研究现状

我国的空间制冷技术经过40多年的发展，已经研制成功了空间辐射制冷器、斯特林制冷机、脉冲管制冷机、固体制冷器、逆布雷顿制冷机等多种制冷设备，取得了一系列重要成就，建立了完整配套的航天工程体系。已有十多台辐射制冷器在“风云”系列气象卫星和“资源”卫星上获得成功应用，积累了丰富的工程应用经验，目前依然是我国实用型遥感卫星的主要制冷方式，如“风云三号”“风云四号”气象卫星和“资源一号”03/04星依然采用辐射制冷器为其探测器提供冷源。空间斯特林制冷机和脉管制冷机也基本趋于成熟，中科院理化所研制的脉管制冷机已在“试验一号”卫星上进行了搭载飞行。航天510所研制的斯特林制冷机在解决了影响制冷机工作寿命的工质气体污染这项关键因素后^[10]，工作寿命和可靠性获得很大提高，将在“实践九号”卫星上搭载进行空间飞行验证，即将转向工程应用。在超流氦技术研究领域，中科院理化所在超流氦相分离技术方面进行了探索，建立了相分离地面试验设备^[11]；航天510所已经开始空间超流氦杜瓦的研制工作。西安交通大学在逆布雷顿制冷技术研究方面也进行了探索；在深低温机械制冷技术研究方面，浙江大学和中科院理化所采用多级脉管制冷机正在进行探索，中科院理化所研制的双级脉制冷机^[12]，最低制冷温度已经达到16.1K，在20K可以提供80mW制冷量，输入功率200W。浙江大学研制的斯特林型两级脉管制冷机最低制冷温度达到14.2 K^[13]。可以看出，我国在空间辐射制冷领域已取得一定成就，但在空间极低温制冷温区，我国的进展还极为有限，中科院理化所对此做出了一定研究^[14]。

２．本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：

本课题要研究或解决的问题:

1. 通过设计计算，得出一种最佳辐射制冷表面结构，并对辐射制冷影响因素进行分析。
2. 评估该辐射制冷结构水收集效率

拟采用的研究手段（途径）：

1. 通过查阅文献，了解辐射传热的相关知识。
2. 查阅文献了解影响辐射制冷的相关因素并学会对其进行分析。
3. 综合考虑Step 1和2，通过实验及计算机模拟软件设计计算出一种最佳辐射冷却结构，并分析影响其冷却效果的相关因素。
4. 分析设计出的辐射冷却结构的水收集效率，并对其进行一定的完善。

参考文献

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