[論文レビュー] Intelligent radiative thermostat induced by near-field radiative thermal diode

Yang Liu, Mauro Antezza+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 26, 2023

Thermal Radiation and Cooling Technologies被引用数 9

ひとこと要約

放射性サーモスタットの概念は、 vanadium dioxide を用いて熱伝達を調整し、室温での相転移点近くに底部構造の温度を安定化させる、受動的な遠方冷却と近場の放射熱ダイオードを組み合わせたものです。

ABSTRACT

A radiative thermostat system senses its own temperature and automatically modulates heat transfer by turning on/off the cooling to maintain its temperature near a desired set point. Taking advantage of far- and near-field radiative thermal technologies, we propose an intelligent radiative thermostat induced by the combination of passive radiative cooling and near-field radiative thermal diode for thermal regulation at room temperature. The top passive radiative cooler in thermostat system with static thermal emissivity uses the cold outer space to passively cool itself all day, which can provide the bottom structure with the sub-ambient cold source. Meanwhile, using the phase-transition material vanadium dioxide, the bottom structure forms a near-field radiative thermal diode with the top cooler, which can significantly regulate the heat transfer between two terminals of the diode and then realize a stable temperature of the bottom structure. Besides, the backsided heat input of the thermostat has been taken into account according to real-world applications. Thermal performance of the proposed radiative thermostat design has been analyzed, showing that the coupling effect of static passive radiative cooling and dynamic internal heat transfer modulation can maintain an equilibrium temperature approximately locked within the phase transition region. Besides, after considering empirical indoor-to-outdoor heat flux, rendering its thermal performance closer to that of passive solar residential building walls, the calculation result proves that the radiative thermostat system can effectively modulate the temperature and stabilize it within a controllable range. Passive radiative thermostats driven by near-field radiative thermal diode can potentially enable intelligent temperature regulation technologies, for example, to moderate diurnal temperature in regions with extreme thermal swings.

研究の動機と目的

• 放射的手段による知的な温度制御を、熱伝達を自動的に感知・調整する形で促進する。
• 受動的遠方冷却とVO2ベースの近接場ダイオードを利用して、底部構造の室温以下への冷却を実現するサーモスタット設計を提案する。
• 静的な受動冷却と内部の動的熱伝達モジュレーションを結合させることで、温度安定化を達成する方法を分析する。
• 建物の壁のような条件を模した現実的な屋内外熱流に対して性能を評価する。

提案手法

• 静的エミシビティを有するトップの受動放射冷却器を用い、宇宙を冷却源として利用する。
• 酸化物として二酸化タリウム-vanadium（VO2）を相転移材料として用い、冷却器と近接場放射熱ダイオードを形成する。
• VO2相状態により駆動されるダイオード端子間の熱伝達モジュレーションを分析する。
• 熱分析には現実の応用を反映させるため、裏面からの熱入力を組み込む。
• VO2の相転移領域での平衡温度を示す性能を評価する。
• 受動的な太陽熱壁挙動に関連付けるため、室内外 Flux を文脈化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 パッシブ放射冷却器＋VO2ベースの近接場ダイオードは、室温でVO2相転移領域近くの底部構造温度を維持できるか。
• RQ2 静的な受動冷却と動的な近接場熱伝達モジュレーションの結合は、現実的な熱流条件下での温度調整にどのような影響を与えるか。
• RQ3 放射性サーモスタットは、日夜の温度変動にもかかわらず、熱伝達を効果的に調整して安定した平衡を達成できるか。

主な発見

• システムはVO2相転移領域の周辺で平衡温度を維持できる。
• 静的な受動冷却と動的な内部熱伝達モジュレーションの結合は、温度安定性を高める。
• 室内外熱流を考慮すると、設計は受動太陽熱住宅壁の熱挙動を概略再現できる。
• 放射性サーモスタットは、極端な熱的変動のある環境で知的な温度調整を実現する可能性を示す。