CN112595750A - 一种基于瞬态平面热源的近场热辐射探测器及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于瞬态平面热源的近场热辐射探测器，包括：下层介质平板(4)的上表面形成有中空的分隔介质层(3)；分隔介质层(3)使下层介质平板(4)和上层介质平板(2)之间形成固定换热间距；导热平板(5)和热流计(6)，热流计(6)用于直接探测总热流，根据总热流获取近场热辐射的热通量；金属丝电极(1)，包括平面双螺旋结构金属丝，双螺旋结构金属丝的一端于螺旋中心相连接，另一端分别与四个引线件相连接，实时测量双螺旋结构金属丝的阻值，根据阻值得到平均温升，平均温升和热通量作为获取近场辐射换热系数的参数。本发明具有分隔介质热传导可控、测量重复率高、系统集成度高的优点。

Description

一种基于瞬态平面热源的近场热辐射探测器及测量方法

技术领域

本发明涉及辐射换热测量技术领域，具体涉及一种基于瞬态平面热源的近场热辐射探测器及测量方法。

背景技术

热是日常生活中一种常见的能量形式，热能量可以通过交换光子或者声子从一个地方传输到另一处。在局域热平衡条件下，由于物质内部原子、分子、电子或者离子的热运动产生的热能量传输称为热辐射。

当热物体间的辐射换热间距远大于热辐射中心辐射波长时，热辐射能量的传输过程可以被认为是宏观过程(远场情况)，从上个世纪初，运用经典理论来解释宏观热辐射过程就已经取得了显著进展。其中，Planck定律预言了黑体热辐射特性，而Stefan-Boltzmann定律预言了两个黑体的热辐射传输通量。

当物体间的辐射换热间距与热辐射中心波长可比拟(近场情况)时，倏逝波(通常在远场情况下被忽略)对热辐射将起主要贡献作用，尤其当辐射材料支持表面等离激元或表面声子极化子时，热辐射的能流密度相对于普朗克定律预言的黑体辐射上限将有着几个数量级的增强。

近年来大量的理论研究结果表明，近场热辐射增强效应可显著提高热光伏系统的电能输出特性，这对于太阳能的合理利用以及工业余热的有效回收具有重要意义。然而，如何构建近场并在实验上实现近场热辐射的有效测量一直是该领域的研究难点，对于近场热光伏技术的工程应用也具有重要的意义。

目前，近场热辐射测量的实验方法主要分为纳米探针/球体-平板、可变间隙平行平板和固定间隙平行平板三种结构形式。

纳米探针/球体-平板结构的实验系统由于换热面积非常小，近场热辐射通量只有纳瓦量级，无法应用于近场热光伏系统。

可变间隙平行平板结构的实验是利用位移控制装置实现换热间距可变的平行平板间近场热辐射的测量，但可变的换热间距以及较大的换热面积对平板平行度要求非常严格，换热间距一般只能控制在微米量级，近场热辐射增强效应并不明显。

固定间隙平行平板结构的实验通过在平板之间制备低热导率的分隔介质从而降低平行度的要求，可在百纳米量级的换热间距下开展近场热辐射特性研究，具备较大的辐射换热面积，并可以获得突破黑体辐射上限的热辐射通量，固定间隙分隔介质还可以作为热光伏电池的电极，有助于近场热光伏系统的实际构建以及相关实验工作的开展

至今，国外学者主要是通过在平板之间添加低导热系数颗粒、制备稀疏的分隔介质阵列等方法弱化分隔介质导热，初步开展了固定间隙平行平板结构近场热辐射的测量工作，但现有实验设计和理论方法仍难以直接应用于近场热光伏系统(Near-FieldThermophotovoltaic system，NFTPVs)，原因如下：(1)近场热辐射探测精度低：分隔介质热传导的比重相对近场热辐射仍然很大，而热传导的估算采用的是理想一维傅里叶热传导模型，对于分隔介质与平板间的接触热阻并未直接评估或者只能按经验估算，造成近场热辐射测量精度降低；实验测量系统需要布置温度传感器测量辐射器和接收器的温度，由于温度传感器安装在加热或衬底铜板上，接触热阻不可避免，引起分隔介质导热的理论估算值、近场热辐射传热系数测量值均与实际情况存在偏差。(2)测量重复率低、系统集成度差：多个温度传感器、铜板热源和平行校准辅助装置等的引入引起实验系统非常复杂，稀疏的分隔介质在实验过程中极易损坏，造成测量重复率低，这不利于NFTPVs的整体构建和后续集成化、器件化发展。因此，固定间隙平行平板结构近场热辐射的测量精度有待进一步提高，面向NFTPVs应用的近场热辐射测量技术亟待发展。

发明内容

(一)要解决的技术问题

针对上述问题，本发明提供了一种基于瞬态平面热源的近场热辐射探测器及测量方法，用于至少部分解决传统固定间隙间近场热辐射测量时需要布置多个温度传感器和样品容易损坏、测试重复率低等技术问题。

(二)技术方案

本发明一方面提供了一种基于瞬态平面热源的近场热辐射探测器，包括：下层介质平板4的上表面形成有中空的分隔介质层3；分隔介质层3使下层介质平板4和上层介质平板2之间形成固定换热间距；导热平板5和热流计6，位于下层介质平板4下方，热流计6用于直接探测总热流，根据总热流获取近场热辐射的热通量；金属丝电极1，形成于上层介质平板2的上表面，包括平面双螺旋结构金属丝，双螺旋结构金属丝的一端于螺旋中心相连接，另一端分别与四个引线件相连接，其中两个引线件用于对双螺旋结构金属丝加热，另外两个引线件用于实时测量双螺旋结构金属丝的阻值，根据阻值得到平均温升，平均温升和热通量作为获取近场辐射换热系数的参数。

进一步地，还包括：高精度电源，与其中两个引线件连接，用于电加热；电桥，与另外两个引线件连接，用于采集双螺旋结构金属丝的阻值信号。

进一步地，还包括：真空罩，用于封闭整个近场热辐射探测器，提供真空环境；衬底，位于近场热辐射探测器的底层，作为水平基底和散热器。

进一步地，金属丝电极1的材料包括镍、铂。

进一步地，金属丝电极1的厚度为100～500nm，其电阻温度系数的范围为为0.0035～0.0069。

进一步地，分隔介质层3的材料包括二氧化硅、SU-8光刻胶。

进一步地，下层介质平板4、导热平板5和热流计6之间黏结的材料包括导热硅脂和导热银胶。

本发明另一方面提供了一种基于瞬态平面热源的近场热辐射的测量方法，包括：S1，采用前述基于瞬态平面热源的近场热辐射探测器，通电加热金属丝电极1，获取双螺旋结构金属丝的阻值，根据阻值得到平均温升；S2，使用热流计6探测热传导的总热流；S3，根据总热流获取近场热辐射的热通量；S4，根据平均温升和热通量计算得到近场热辐射的换热系数。

进一步地，S4具体包括；S41，上层介质平板2通过分隔介质层3进入下层介质平板4的导热能量：

其中λ为分隔介质层3的导热系数，A为分隔介质层3底面的横截面积，ΔT(t)为数值模拟得到的t时刻两固定间隙平板边缘的换热温差，d为分隔介质层3的高度；S42，热流计6探测热传导的总热流为Q，则上层介质平板2和下层介质平板4之间的近场热辐射热通量可以表示为Q_{近场热辐射}＝Q-Q_导热，近场热辐射的换热系数h＝Q_{近场热辐射}/ΔT，其中ΔT为两固定间隙平板的平均换热温差。

进一步地，S1中通电加热金属丝电极1的加热功率小于100毫瓦。

(三)有益效果

本发明实施例提供的基于瞬态平面热源的近场热辐射探测器及测量方法，以双螺旋结构金属丝电极作为平面热源和温差传感器，与棱台状分隔介质配合使用，可以减小上下两层介质平板间发生的热传导，达到提高近场热辐射的探测精度的目的；双螺旋结构金属丝还能够减小接触热阻；而且无需额外布置温度传感器和平面热源，测量装置相对简单。

附图说明

图1示意性示出了根据本发明实施例基于瞬态平面热源的近场热辐射探测器的结构示意图；

图2示意性示出了根据本发明实施例基于瞬态平面热源的近场热辐射探测器中双螺旋结构金属丝电极的结构示意图；

图3示意性示出了根据本发明实施例基于瞬态平面热源的近场热辐射探测器中棱台状结构分隔介质的结构示意图；

图4示意性示出了根据本发明实施例基于瞬态平面热源的近场热辐射探测器中数据测量和采集单元原理图；

图5示意性示出了根据本发明实施例基于瞬态平面热源的近场热辐射的测量方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本公开的实施例提供了一种基于瞬态平面热源的近场热辐射探测器，请参见图1，包括：下层介质平板4的上表面形成有中空的分隔介质层3；分隔介质层3使下层介质平板4和上层介质平板2之间形成固定换热间距；导热平板5和热流计6，位于下层介质平板4下方，热流计6用于直接探测总热流，根据总热流获取近场热辐射的热通量；金属丝电极1，形成于上层介质平板2的上表面，包括平面双螺旋结构金属丝，双螺旋结构金属丝的一端于螺旋中心相连接，另一端分别与四个引线件相连接，其中两个引线件用于对双螺旋结构金属丝加热，另外两个引线件用于实时测量双螺旋结构金属丝的阻值，根据阻值得到平均温升，平均温升和热通量作为获取近场辐射换热系数的参数。

该近场热辐射探测器包括：双螺旋结构金属丝电极1、上层介质平板2、棱台状结构分隔介质3、下层介质平板4、金属铜导热平板5、热流计6、金属铜衬底7、真空罩和数据测量与采集模块。金属丝电极1、上层介质平板2、棱台状结构分隔介质3、下层介质平板4、金属铜导热平板5、热流计6和金属铜衬底7从上到下依次放置于真空罩8中。

双螺旋金属丝电极位于上层介质平板的上表面，既是一个用来加热上层介质平板的面热源，又是一个用来记录温度随时间变化的阻值温度传感器，双螺旋结构增大了热源与试样的接触面积并且减小了接触热阻，同时具备较高的温度测量精度和灵敏度；通过刻蚀下层介质平板直接制备棱台状分隔介质，构建固定间隙下的近场热辐射换热间距；金属铜导热平板置于下层介质平板下方，用于均匀传导下层介质平板吸收的热量；热流计位于金属铜导热平板下方，用于直接探测热辐射和热传导的总热流；金属铜导热平板、下层介质平板和热流计之间通过导热银胶相接，热流计用于直接探测上下两层介质平板之间发生的热辐射和热传导。

这里双螺旋结构金属丝为两根金属丝，两根金属丝均呈螺旋形，且两螺旋交错排列，两根金属丝的一端于螺旋中心相连接，两根金属丝的另一端分别与引线件连接。双螺旋结构金属丝电极作为平面热源和温差传感器，直接探测介质平板的平均温升。图2为双螺旋结构金属丝电极的结构示意图，金属丝电极1包括双螺旋金属丝11和四个引线件121、122、123、124。双螺旋金属带11分别与四个引线件121～124的一端部连接。四个引线件121～124的另一端有四个引线端12a～12d，引线端12b、12c分别与数据测量单元9的探测电压引线端9b、9c通过导线连接，数据测量单元9的电流引线端9a、9d通过导线连接引线端12a、12d对双螺旋金属带11进行恒定电流加热。

在上述实施例的基础上，还包括：高精度电源，与其中两个引线件连接，用于电加热；电桥，与另外两个引线件连接，用于采集双螺旋结构金属丝的阻值信号。

数据测量与检测模块包括高精度电源和电桥，高精度电源与双螺旋结构金属丝电极连接，用于电加热金属丝提供平面热源，高精度电桥用于采集双螺旋结构金属丝的阻值信号。

在上述实施例的基础上，还包括：真空罩，用于封闭整个近场热辐射探测器，提供真空环境；衬底，位于近场热辐射探测器的底层，作为水平基底和散热器。

金属铜衬底位于底层作为水平基底和散热器，保证热流计接收的热量及时耗散到环境，金属铜衬底7作为散热器和水平基座，带水平测量和调节附件。真空罩通过高真空机组对近场热辐射测量实验环境进行抽真空，可以提供近场热辐射测量所需要的真空环境，用于减小空气热传导对测量精度影响。

在上述实施例的基础上，金属丝电极1的材料包括镍、铂。

双螺旋金属丝和四个引线件为镍或铂金属，通过刻蚀或气相沉积工艺附着于上层介质平板上形成百纳米级厚的双螺旋结构，具备较高的温度电阻系数，对很小的温度变化有着较高的探测灵敏度。

在上述实施例的基础上，金属丝电极1的厚度为100～500nm，其电阻温度系数的范围为(0～100摄氏度)为0.0035～0.0069。

金属丝电极通过磁控溅射镀膜工艺附着于石英玻璃衬底3上形成百纳米级厚的双螺旋结构，具备较高的电阻温度系数，对很小的温度变化有着较高的探测灵敏度。金属丝电极1的厚度不能过厚，否则会因电阻值过小引起金属丝电极熔断；金属丝电极1的厚度也不能过薄，否则会因电阻值过大引起金属丝温升微小，降低实验探测精度。电阻温度系数因加工批次和实验条件的不同在该范围内有所区别，但在0～100摄氏度范围内具有良好的线性度，使得能够准确测量金属丝电极温升。

在上述实施例的基础上，分隔介质层3的材料包括二氧化硅、SU-8光刻胶等高抗压强度低导热率材料。

棱台状结构分隔介质3位于介质平板4的边缘，不完全封闭，请参考图3，保证固定间隙可抽真空且棱台状分隔介质有较高的强度。优选的，棱台状分隔介质3选用低导热系数和高抗压强度的二氧化硅材料，较低的导热系数能够降低棱台状分隔介质3的热传导，较高的抗压强度可以减小棱台状分隔介质3的底面积，进而减小通过分隔介质的热传导能量。

上层介质平板2的材料选用二氧化硅，具备较低的热导率能够在有限时间内降低介质平板2边缘的温升速率，进一步降低棱台状结构分隔介质的导热，提高近场热辐射的探测精度。此外，介质平板2所选用二氧化硅材料有着成熟的抛光处理技术，能够保证介质平板2具有较高的表面平整度，并在有限的尺寸内具有较小的弯曲程度。

在上述实施例的基础上，下层介质平板4、导热平板5和热流计6之间黏结的材料包括导热硅脂和导热银胶。

介质平板4选用硅片材料，并对上表面进行氧化抛光处理形成二氧化硅层，实现与上层介质平板2近场热辐射共振频率的匹配。采用刻蚀或气相沉积工艺，在介质平板4上表面能够直接制备棱台状分隔介质3，通过控制刻蚀或沉积时间实现不同高度的近场热辐射换热间距，最小的近场热辐射换热间距可控制在百纳米量级。金属铜导热平板5上表面与介质平板4下表面用于均匀传导热流，金属铜导热平板5下表面与热流计6上表面通过导热银胶相接，能够降低热信号在传输过程的界面热损。热流计6的输出电压与热流计6中热阻测板上下表面温差成线性关系，进而测得热流值。热流计6下表面与金属铜衬底7上表面通过导热银胶相接，保证热流计6快速散热。

本公开的另一实施例提供了一种基于瞬态平面热源的近场热辐射的测量方法，请参见图5，包括：S1，采用前述基于瞬态平面热源的近场热辐射探测器，通电加热金属丝电极1，获取双螺旋结构金属丝的阻值，根据阻值得到平均温升；S2，使用热流计6探测热传导的总热流；S3，根据总热流获取近场热辐射的热通量；S4，根据平均温升和热通量计算得到近场热辐射的换热系数。

S1中近场热辐射探测器的制备过程包括：通过光刻和气相沉积工艺在上层介质平板2上表面制备双螺旋结构金属镍丝电极，作为平面加热源和温度传感器；通过在下层介质平板刻蚀指定高度的棱台状分隔介质，构建固定间隙平行介质平板的近场热辐射换热间距；对上下两介质平板进行对齐组合，并置于真空罩进行抽真空处理，保证近场热辐射测量所需的实验环境。近场热辐射探测器制备完成后，开始进行近场热辐射的测量。

对双螺旋结构金属镍丝电极通电加热，通过监测双螺旋结构金属镍丝的阻值变化获取固定间隙平行平板的平均温升。S2：通过微型热流计直接探测近场热辐射和分隔介质热传导的总热流；S3：通过数值模拟方法计算棱台状分隔介质热传导的理论值，对微型热流计探测的总热流进行修正，得到近场热辐射热通量；S4：根据固定间隙平行平板的平均温升和近场热辐射热通量计算得到近场热辐射的换热系数。

请参考图4数据测量单元原理图，数据测量单元9包括高精度电源91、数字多用表92、标准电阻R_s、金属丝电极1在t＝0时刻的电阻值R₀、金属丝电极1所接导线电阻R₁、电流引线端子9a和9d、电压引线端子9c和9b。高精度电源91通过电流引线端子9a和9d与金属丝电极1的引线端12a、12d相连，用于提供恒定电流对金属丝电极1进行加热；数字多用表92作为分压器和高精度电压表，通过电压引线端子9b和9c与金属丝电极1的引线端12b、12c相连，数字多用表92与标准电阻R_s、金属丝电极1在t＝0时刻的电阻值R₀、金属丝电极1所接导线电阻R₁构成惠更斯电桥，其中R_s应与R₀和R₁之和基本接近。通过测量所属数字多用表92的电压变化实现金属丝电极1的阻值检测。

在上述实施例的基础上，S4具体包括；S41，上层介质平板2通过分隔介质层3进入下层介质平板4的导热能量：

其中λ为分隔介质层3的导热系数，A为分隔介质层3底面的横截面积，ΔT(t)为数值模拟得到的t时刻两固定间隙平板边缘的换热温差，d为分隔介质层3的高度；S42，热流计6探测热传导的总热流为Q，则上层介质平板2和下层介质平板4之间的近场热辐射热通量可以表示为Q_{近场热辐射}＝Q-Q_导热，近场热辐射的换热系数h＝Q_{近场热辐射}/ΔT，其中ΔT为两固定间隙平板的平均换热温差。

本实施方式中双螺旋结构金属丝电极1和热流计6在实验前需要校准。所属双螺旋结构金属丝电极1的圈数、双螺旋金属带11的厚度和宽度需要进行几何设计，目的是双螺旋结构金属丝电极1的电阻值、数据测量模块9的加热电流和功率参数与微型热流计的量程范围匹配，对双螺旋结构金属丝电极1通电加热，其阻值随时间的变化可表示为R(t)＝R₀(1+αΔT(t))，式中t代表加热时间，R₀为t＝0时双螺旋金属线的阻值，α是镍电阻的温度系数，ΔT为t时刻(稳态情况)两固定间隙平板的平均温升，通过双螺旋结构金属镍丝的阻值变化获取固定间隙平行介质平板的平均温升。

为了降低分隔介质引入的热导，需要控制双螺旋结构金属丝电极1加热时间t₀＜t＜t_max(t₀为平板中心区域达到局域热平衡的时间，t_max为加热热流到达介质平板边界的时间)。由于在时间小于t_max的范围内，平板边缘的温升相对于平板中心很小，通过控制加热时间，棱台状结构能够有效减小两平行介质平板间通过分隔介质发生的热传导，提高近场热辐射热流的实验探测精度。上层介质平板2通过分隔介质进入下层介质平板3的导热能量可以通过一维热传导方程进行理论估算：

其中λ为棱台状分隔介质3的导热系数，A为棱台状分隔介质3底面的横截面积，ΔT(t)为数值模拟得到的t时刻两固定间隙平板边缘的换热温差，d为棱台状分隔介质3的高度。

通过微型热流计6直接测量上下两层介质平板2和4之间的近场热辐射和热传导的总热流Q，因此上下两层介质平板2和4之间的近场热辐射热通量可以表示为O_{近场热辐射}＝Q-Q_导热，进而可以计算近场热辐射的换热系数h＝Q_{近场热辐射}/ΔT。

在上述实施例的基础上，S1中通电加热金属丝电极1的加热功率小于100毫瓦。

加热功率小于100毫瓦参数与双螺旋结构金属丝阻值匹配，可以把金属丝电极温升控制在100摄氏度以下，在该温度范围内，温升和阻值具有良好的线性关系。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于瞬态平面热源的近场热辐射探测器，其特征在于，包括：

下层介质平板(4)的上表面形成有中空的分隔介质层(3)；所述分隔介质层(3)使所述下层介质平板(4)和上层介质平板(2)之间形成固定换热间距；

导热平板(5)和热流计(6)，位于所述下层介质平板(4)下方，所述热流计(6)用于直接探测总热流，根据所述总热流获取近场热辐射的热通量；

金属丝电极(1)，形成于所述上层介质平板(2)的上表面，包括平面双螺旋结构金属丝，所述双螺旋结构金属丝的一端于螺旋中心相连接，另一端分别与四个引线件相连接，其中两个引线件用于对所述双螺旋结构金属丝加热，另外两个引线件用于实时测量所述双螺旋结构金属丝的阻值，根据所述阻值得到平均温升，所述平均温升和所述热通量作为获取近场辐射换热系数的参数。

2.根据权利要求1所述的基于瞬态平面热源的近场热辐射探测器，其特征在于，还包括：

高精度电源，与所述其中两个引线件连接，用于电加热；

电桥，与所述另外两个引线件连接，用于采集所述双螺旋结构金属丝的阻值信号。

3.根据权利要求1所述的基于瞬态平面热源的近场热辐射探测器，其特征在于，还包括：

真空罩，用于封闭整个所述近场热辐射探测器，提供真空环境；

衬底，位于所述近场热辐射探测器的底层，作为水平基底和散热器。

4.根据权利要求2所述的基于瞬态平面热源的近场热辐射探测器，其特征在于，所述金属丝电极(1)的材料包括镍、铂。

5.根据权利要求4所述的基于瞬态平面热源的近场热辐射探测器，其特征在于，所述双螺旋结构金属丝的厚度为100～500nm，其电阻温度系数的范围为0.0035～0.0069。

6.根据权利要求1所述的基于瞬态平面热源的近场热辐射探测器，其特征在于，所述分隔介质层(3)的材料包括二氧化硅、SU-8光刻胶。

7.根据权利要求1所述的基于瞬态平面热源的近场热辐射探测器，其特征在于，所述下层介质平板(4)、导热平板(5)和热流计(6)之间黏结的材料包括导热硅脂和导热银胶。

8.一种基于瞬态平面热源的近场热辐射的测量方法，包括：

S1，采用根据权利要求1～7任一所述的基于瞬态平面热源的近场热辐射探测器，通电加热金属丝电极(1)，获取双螺旋结构金属丝的阻值，根据所述阻值得到平均温升；

S2，使用热流计(6)探测热传导的总热流；

S3，根据所述总热流获取近场热辐射的热通量；

S4，根据所述平均温升和热通量计算得到近场热辐射的换热系数。

9.根据权利要求8所述的基于瞬态平面热源的近场热辐射的测量方法，所述S4具体包括；

S41，上层介质平板(2)通过分隔介质层(3)进入下层介质平板(4)的导热能量：

其中λ为分隔介质层(3)的导热系数，A为分隔介质层(3)底面的横截面积，ΔT(t)为数值模拟得到的t时刻两固定间隙平板边缘的换热温差，d为分隔介质层(3)的高度；

S42，热流计(6)探测热传导的总热流为Q，则上层介质平板(2)和下层介质平板(4)之间的近场热辐射热通量可以表示为Q_{近场热辐射}＝Q-Q_导热，近场热辐射的换热系数h＝Q_{近场热辐射}/ΔT，其中ΔT为两固定间隙平板的平均换热温差。

10.根据权利要求8所述的基于瞬态平面热源的近场热辐射的测量方法，所述S1中通电加热金属丝电极(1)的加热功率小于100毫瓦。

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