[논문 리뷰] Intelligent radiative thermostat induced by near-field radiative thermal diode

Yang Liu, Mauro Antezza외 1명|arXiv (Cornell University)|2023. 09. 26.

Thermal Radiation and Cooling Technologies인용 수 9

한 줄 요약

복사형 온도조절 장치 개념은 수동적 원거리 냉각과 근거리 방사 열 다이오드를 바나듐 이산화물( VO2 )을 사용해 열전달을 조절하고 바닥 구조의 온도를 실온에서 그 상전이점 근처로 안정화한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 열 방사를 통한 자동 감지 및 조절로 지능적 온도 조절을 고무한다.
• 하부 구조의 저온 냉각(sub-ambient cooling)을 위한 수동적 원거리 냉각과 VO2 기반의 근거리 다이오드를 활용하는 온도조절기 설계를 제안한다.
• 정적 수동 냉각과 내부 열전달의 동적 모듈레이션 결합이 어떻게 온도 안정화를 달성하는지 분석한다.
• 실내-실외 열유량을 현실적으로 모사하여 건물 벽과 유사한 조건에서 성능을 평가한다.

제안 방법

• 상단 수동 복사 냉각기로서 공간을 냉각 싱크로 삼는 정적 발현도를 가지는 상부를 활용한다.
• 상전이 물질로서 VO2를 활용하여 냉각기와 함께 근거리 방사 열 다이오드를 형성한다.
• VO2의 상 상태에 의해 구동되는 다이오드 단자 간의 열전달 모듈레이션을 분석한다.
• 열 분석에서 실제 응용을 반영하기 위해 후면 열 입력을 포함한다.
• VO2 상전이 영역에서 평형 온도를 보임을 보여주기 위해 성능을 평가한다.
• 실내-실외 플럭스에 대한 맥락에서 수동형 태양열 벽 동작과의 관련성을 해석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 수동 복사 냉각기와 VO2 기반의 근거리 다이오드를 더해 하부 구조의 온도를 실온에서 VO2 상전이 영역 근처로 유지할 수 있는가?
• RQ2 정적 수동 냉각과 동적 근거리 열전달 모듈레이션의 결합이 현실적인 열플럭스 조건에서 열조절에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 일주기적 온도 변화에도 불구하고 안정적인 평형 상태를 달성하기 위해 열전달을 효과적으로 모듈레이션할 수 있는가?

주요 결과

• 시스템은 VO2 상전이 영역 내 근사적으로 평형 온도를 유지할 수 있다.
• 정적 수동 냉각과 내부 열전달 모듈레이션의 동적 결합이 온도 안정성을 향상시킨다.
• 실내-실외 열흐를 고려하면 이 설계는 수동형 태양열 주택 벽의 열거동을 근사할 수 있다.
• 복사형 온도조절기는 극심한 열적 변동이 있는 환경에서 지능형 온도조절의 가능성을 보여준다.