CN113834851A - 一种基于瞬态平面热源的近场热辐射测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及辐射换热测量技术领域，提供了一种基于瞬态平面热源的近场热辐射测量装置及方法，该测量装置至少包括，基板；电极，设置在基板的一面上；分隔介质层，设置在基板的另一面上；衬底，适于放置待测平板，待测平板与基板依次叠层设置在衬底上；其中，分隔介质层位于基板与待测平板之间，分隔介质层与待测平板之间形成有预设换热间距；固定套管，设置在衬底上，基板与待测平板均位于固定套管内，基板与待测平板的边缘均与固定套管的内壁相贴合。该测量装置，设置了固定套管，基板与待测平板均位于固定套管内，在固定套管的限制下，使得基板与待测平板不易发生相对运动，提高了整个测量装置的稳定性，有利于提高近场热辐射的探测精度。
Description
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测量装置及方法。
背景技术
温度在绝对零度以上的物体都会产生热辐射并通过电磁波的形式来传递热量，这种电磁波包括传播波和消逝波。传播波是由电子热运动引起的，能离开物体表面在自由空间内传播，属于远场辐射。消逝波是由电荷库仑力引起的，仅存在于物体表面，只能沿着表面方向传播，属于近场辐射。当物体间的辐射换热间距小于特征波长区域的辐射时，由于倏逝波光子的近场隧穿效应和表面极化激元的作用，其辐射热通量与间距的6次方成反比，热辐射的辐射热通量相对于远场热辐射通量大5－6个数量级。
近些年大量的理论研究结果表明，近场热辐射增强效应在热光伏系统、热能管理以及提高热光电电器件的能量转换效率等方面具有重要应用潜力和意义。然而，如何构建近场并在实验中实现瞬态近场热辐射的有效测量一直是该领域的研究难点。
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。
如图5所示，其中，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。但是，该装置稳定性较差，在测试时，分隔介质层8与待测平板7之间容易发生相对运动，导致近场热辐射的探测精度降低。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的近场热辐射测量装置稳定性较差，在测试时，棱台状分隔介质与待测样品平行板之间容易发生相对运动，导致近场热辐射的探测精度降低的缺陷，从而提供一种基于瞬态平面热源的近场热辐射测量装置及方法。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
一种基于瞬态平面热源的近场热辐射测量装置，至少包括，基板；电极，设置在所述基板的一面上；分隔介质层，设置在所述基板的另一面上；衬底，适于放置待测平板，待测平板与所述基板依次叠层设置在所述衬底上；其中，所述分隔介质层位于所述基板与待测平板之间，所述分隔介质层与待测平板之间形成有预设换热间距；固定套管，设置在所述衬底上，所述基板与待测平板均位于所述固定套管内，所述基板与待测平板的边缘均与所述固定套管的内壁相贴合。
进一步地，所述固定套管上设置有过孔，采用绝缘材质制成的插管通过所述过孔与所述基板相抵。
进一步地，所述插管远离所述基板的一端设置有偏压件，适于提供使所述插管压紧所述基板的力。
进一步地，所述固定套管与所述插管均为陶瓷材质。
进一步地，该基于瞬态平面热源的近场热辐射测量装置还包括真空罩，适于封闭整个近场热辐射测量装置，以提供真空环境。
一种基于瞬态平面热源的近场热辐射测量方法，至少包括如下步骤：将待测平板与基板叠层放置在衬底上；对所述待测平板与所述基板进行固定；测量所述待测平板的近场热辐射系数。
进一步地，对所述待测平板与基板进行固定具体包括：采用固定套管圈住所述所述基板与所述待测平板的边缘；将插管插置在固定套管内，保持插管的端部与基板相抵；采用偏压件使插管压紧基板。
进一步地，测量所述待测平板的近场热辐射系数具体包括：在有限测量时间内对电极通电并施加恒定的电压；通过检测所述电极两端的电阻变化获取所述电极两端电压随时间的变化曲线；通过电极两端电压随时间的变化曲线可以通过相关公式获得所述电极两端温度随时间的变化曲线；通过数值模拟软件建立三维传热真实的几何模型，并将所述几何模型与所述电极温升随时间的变化曲线进行拟合，得出待测样品的近场热辐射系数的实验值：最后通过涨落耗散定理计算出待测样品的近场热辐射系数的理论值，并与实验值进行对比，来验证测量方法的可行性与合理性。
进一步地，更换不同的电极，采集各电极在同一待测平板、同一预设换热间距以及同一电压下的电极温升随时间的变化曲线。
进一步地，调节预设换热间距的大小，采集各预设换热间距在同一待测平板、同一电极以及同一电压下的电极温升随时间的变化曲线。
本发明技术方案，具有如下优点：
本发明提供的基于瞬态平面热源的近场热辐射测量装置，设置了固定套管，基板与待测平板均位于固定套管内，在固定套管的限制下，使得基板与待测平板不易发生相对运动，提高了整个测量装置的稳定性，有利于提高近场热辐射的探测精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一个实施例中的基于瞬态平面热源的近场热辐射测量装置俯视图；
图2为本发明一个实施例中的基于瞬态平面热源的近场热辐射测量装置剖视图；
图3为本发明一个实施例中的基于瞬态平面热源的近场热辐射测量装置中电极的结构示意图；
图4为本发明一个实施例中的基于瞬态平面热源的近场热辐射测量方法的流程图；
图5为本发明背景技术中提供的基于瞬态平面热源的近场热辐射测量装置的结构示意图。
附图标记说明：
1、衬底； 2、固定套管； 3、基板；
4、电极； 5、插管； 6、引线件；
7、待测平板； 8、分隔介质层； 9、预设换热间距；
10、偏压件。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
图1为本发明一个实施例中的基于瞬态平面热源的近场热辐射测量装置俯视图；图2为本发明一个实施例中的基于瞬态平面热源的近场热辐射测量装置剖视图；如图1与图2所示，本实施例提供一种基于瞬态平面热源的近场热辐射测量装置，至少包括，基板3；电极4，设置在基板3的一面上；其中，电极4为双螺旋结构的金属丝电极4。
分隔介质层8，设置在基板3的另一面上；其中，可以采用刻蚀或气相沉积工艺在基板3的表面形成该分隔介质层8，分隔介质层8可以为二氧化硅材料。例如，分隔介质层8的中间的厚度较薄，边缘的厚度较大，这样可以与待测平板7之间形成预设换热间距9。例如，可以控制刻蚀或沉积的时间，以在基板3上形成厚度不同的分隔介质层8，从而形成不同尺寸的预设换热间距9，最小的预设换热间距9可控制在百纳米量级。
例如，对于分隔介质层8与基板3的结构关系，基板3与分隔介质层8可以为一体结构，加工时，可以通过腐刻等技术将基板3上除了四个角处的其余部分掏空，以在基板3的四个角处形成棱台状结构的分隔介质层8，基板3与待测平板7接触后，两者之间可以形成换热间距。
衬底1，可以为铜板，适于放置待测平板7，可以均匀传导热流，待测平板7与基板3依次叠层设置在衬底1上；其中，分隔介质层8位于基板3与待测平板7之间，分隔介质层8与待测平板7之间形成有预设换热间距9。例如，基板3的形状可以与待测平板7的形状保持一致，两者的尺寸可以相等。
固定套管2设置在衬底1上，基板3与待测平板7均位于固定套管2内，基板3与待测平板7的边缘均与固定套管2的内壁相贴合。其中，固定套管2的形状及尺寸可以根据需要设置，在此不作具体限定。例如，待测平板7为圆形平板时，固定套管2也为圆管。例如，待测平板7为方形平板时，固定套管2也为方管。
本发明提供的基于瞬态平面热源的近场热辐射测量装置，设置了固定套管2，基板3与待测平板7均位于固定套管2内，在固定套管2的限制下，使得基板3与待测平板7不易发生相对运动，提高了整个测量装置的稳定性，有利于提高近场热辐射的探测精度。
本实施例中，固定套管2上设置有过孔，采用绝缘材质制成的插管5通过过孔与基板3相抵。其中，插管5的外径不超过固定套管2的内径。例如，插管5的长度可以大于固定套管2的长度。例如，插管5可以为实心管，也可以为空心管。
例如，固定套管2的内径可以与插管5的外径相等。
例如，可以在固定套管2的底部设置过线槽，与电极4相连的导线可以通过固该过线槽引出并与外部的电源连接，给予电压值进行实验。
本实施例中，插管5远离基板3的一端设置有偏压件10，适于提供使插管5压紧基板3的力。例如，偏压件10可以为加载砝码。如此设置，可以有效减小分隔介质层8与待测平板7的间隙，既能降低热传导又可以固定基板3与待测平板7的位置，防止其移动导致测量的误差增大，从而有效提高测试结果的精确度。
本实施例中，固定套管2与插管5均为陶瓷材质。陶瓷材质可以防止短路，防止热量流失，有利于提高测量的精度。固定套管2与插管5也可以为其它低导热系数和高抗压强度的材料。
本实施例中，该基于瞬态平面热源的近场热辐射测量装置还包括真空罩，适于封闭整个近场热辐射测量装置，以提供真空环境。
图3为本发明一个实施例中的基于瞬态平面热源的近场热辐射测量装置中电极的结构示意图；如图3所示，本实施例中，电极4具有四个引线件6，其中两个引线件6用于连接电源，另外两个引线件6用于与电桥相连，用于采集电极4的阻值信号。
其中，电极4可以为镍或铂金属，通过刻蚀或气相沉积工艺附着于基板3的表面，电极4的厚度可以达到百纳米级，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。
本实施例中，基板3可以为二氧化硅材质，具备较低的热导率能够在有限测量时间内降低基板3边缘的温升速率，进一步降低分隔介质层8的导热，提高近场热辐射的探测精度。
此外，基板3所选用的二氧化硅材料有着成熟的抛光处理技术，能够保证基板3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。
本实施例中，分隔介质层8可以为棱台状结构，棱台状结构的分隔介质层8可以位于所述待测平板7的边缘，不完全封闭，保证预设换热间距9可抽真空，且棱台状结构的分隔介质层8具有较高的强度。
优选的，所述分隔介质层8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其热传导，较高的抗压强度可以减小其底面积，进一步削弱基板3通过分隔介质层8进入待测平板7的导热能量。
本实施例中，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。优选的，电极4与锁相放大器接线，给锁相放大器约0.001mV的交流电压，通过调节精密电阻箱，调平电极4和电阻箱的电压，粗略获取电极4初始阻值。
本实施例中，为减小空气导热对测量结果的影响，测量开始前测量装置与待测平板7需置于真空罩中，保持真空罩内真空度小于10－4Pa，记录环境温度。
本实施例中，电极4再次与电源接线。优选的，为去除直流导线阻值变化和真空度带来的阻值影响，给电极4施加30mV的直流电压，通过微调再次调平直流情况下电极4和电阻箱的电压，记录电极4初始阻值R0。
本实施例中，把电极4和直流稳压电源串联接入电阻数据采集系统；调整直流稳压电源输出稳定电压，在有限测量时间内，通过检测电极两端的电阻变化获取电极两端电压随时间的变化曲线；通过电极两端电压随时间的变化曲线可以通过相关公式获得电极两端温度随时间的变化曲线。
本实施例中，可利用软件对本项目提出的近场辐射瞬态测量系统进行三维几何建模，通过设定材料属性和物理场边界条件，创建耦合的电流热源和固体传热物理场几何模型。
本实施例中，根据平行平板的表面形貌和接触压力，采用CMY热接触模型定义接触热阻。根据材料的发射率定义系统边界辐射率，获取背景辐射能量。在近场条件下，为了同时分析热传导、背景辐射和近场辐射对温度分布规律的影响，需要对初步建立的模型进行再次修正。其中，可以把平行平板之间的真空层(预设换热间距9)看作一种等效介质，并定义真空层与待测平板7的传热系数hR。在特定实验温度下真空层的等效传热系数可根据如下过程计算。
根据涨落耗散理论，相距为d的两半无限大平行平板之间的热辐射通量q可以表示为如下形式：
上式中T1为上层平板中心有效热源处温度，T2表示下层平板对应位置处的温度，ζj(ω，K)是两平行平板之间的能量传输系数，其最大值是1，可以写成如下形式：
其中，K是平行于介质平板表面的横向波矢量，γ为垂直于表面的z方向的纵向波矢量，j＝s，p，rs和rp分别代表介质平板对s偏振和p偏振入射光的菲涅尔反射系数。
Θ(ω,T)是热平衡下在频率ω处普朗克谐振子平均能量，可表示如下：
所以，近场辐射换热系数hR如下：
图4为本发明一个实施例中的基于瞬态平面热源的近场热辐射测量方法的流程图，如图4所示，另一个实施例中提供一种基于瞬态平面热源的近场热辐射测量方法，至少包括如下步骤：将待测平板7与基板3叠层放置在衬底1上；对待测平板7与基板3进行固定；测量待测平板7的近场热辐射系数。
本实施例中，对待测平板7与基板3进行固定具体包括：采用固定套管2圈住基板3与待测平板7的边缘；将插管5插置在固定套管2内，保持插管5的端部与基板3相抵；采用偏压件10使插管5压紧基板3。
本实施例中，测量待测平板7的近场热辐射系数具体包括：在有限测量时间内对电极4通电并施加恒定的电压；通过检测电极两端的电阻变化获取电极两端电压随时间的变化曲线；通过电极两端电压随时间的变化曲线可以通过相关公式获得电极两端温度随时间的变化曲线；通过数值模拟软件建立三维传热真实的几何模型，并将所述几何模型与所述电极温升随时间的变化曲线进行拟合，得出待测样品的近场热辐射系数的实验值：最后通过涨落耗散定理计算出待测样品的近场热辐射系数的理论值，并与实验值进行对比，来验证测量方法的可行性与合理性。
下面对一次测量进行详细说明：
首先，采用光刻和气相沉积工艺在基板3的一面制备双螺旋结构的电极4，作为平面加热源和温度传感器；
之后，在基板3的另一面刻蚀特定高度的棱台状结构的分隔介质层8，用于与待测平板7之间的近场热辐射换热间距；
之后，将基板3与待测平板7进行对齐，并使用定制尺寸的固定套管2与插管5对基板3与待测平板7进行固定，在插管5上面使用加载砝码；
之后，置于真空罩中进行抽真空处理，使其处于近场热辐射测量所需的实验环境中；
之后，用引线连接电极4与数据测量与采集仪，并与电阻箱串联，通过调节电阻箱阻值来获得电极4的阻值；
之后，在有限测量时间内对电极4通电并施加恒定电压，获取电极4温升随时间的变化曲线；
之后，通过数值模拟软件建立三维传热真实几何模型，并将几何模型与电极4温升随时间的变化曲线进行拟合，得出待测样品的近场热辐射系数的实验值：
最后，通过涨落耗散定理计算出待测样品的近场热辐射系数的理论值，并与实验值进行对比，来验证测量方法的可行性与合理性。
本实施例中，可以更换不同的电极4，电极4不同，阻值也不同，采集各电极4在同一待测平板7、同一预设换热间距9以及同一电压下的电极4温升随时间的变化曲线。如此设置，可以获取多组数据，以提高实验的精度。
本实施例中，可以调节预设换热间距9的大小，采集各预设换热间距9在同一待测平板7、同一电极4以及同一电压下的电极4温升随时间的变化曲线。如此设置，可以获取多组数据，以提高实验的精度。其中，不同换热间距的基板3，不同材质的待测平板7，不同的电压值下可以自由组合。
综上，本发明提供的测量装置可以解决分隔介质层与待测平板间连接不紧密导致的测试结果精度不高、测量实施方案较为繁琐、测试样品容易损坏、测试重复率低等困难问题。
本发明提供的测量方法，可以在不同的电极、不同的固定间隙及不同的待测平板等情况下，在一段时间内，连续实时获取电极的温升值，进而获取电极温升随时间的变化曲线，相比于原来只通过获取电极在阻值稳定后的温升值，有利于提高测量的精度。并通过软件生成对应各情况下的几何模型，进行拟合，来获取瞬态平面热源下固定间隙的近场辐射换热系数。该测量方法不仅可以用于对已知近场辐射换热系数的待测平板进行验证，还可以用于对未知近场辐射换热系数的待测平板进行测量。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种基于瞬态平面热源的近场热辐射测量装置，其特征在于，至少包括，
基板；
电极，设置在所述基板的一面上；
分隔介质层，设置在所述基板的另一面上；
衬底，适于放置待测平板，待测平板与所述基板依次叠层设置在所述衬底上；其中，所述分隔介质层位于所述基板与待测平板之间，所述分隔介质层与待测平板之间形成有预设换热间距；
固定套管，设置在所述衬底上，所述基板与待测平板均位于所述固定套管内，所述基板与待测平板的边缘均与所述固定套管的内壁相贴合。
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测量装置，其特征在于，所述固定套管上设置有过孔，采用绝缘材质制成的插管通过所述过孔与所述基板相抵。
3.根据权利要求2所述的基于瞬态平面热源的近场热辐射测量装置，其特征在于，
所述插管远离所述基板的一端设置有偏压件，适于提供使所述插管压紧所述基板的力。
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测量装置，其特征在于，
所述固定套管与所述插管均为陶瓷材质。
5.根据权利要求1所述的基于瞬态平面热源的近场热辐射测量装置，其特征在于，
还包括真空罩，适于封闭整个近场热辐射测量装置，以提供真空环境。
6.一种基于瞬态平面热源的近场热辐射测量方法，其特征在于，至少包括如下步骤：
将待测平板与基板叠层放置在衬底上；
对所述待测平板与所述基板进行固定；
测量所述待测平板的近场热辐射系数。
7.根据权利要求6所述的基于瞬态平面热源的近场热辐射测量方法，其特征在于，
对所述待测平板与基板进行固定具体包括：
采用固定套管圈住所述所述基板与所述待测平板的边缘；
将插管插置在固定套管内，保持插管的端部与基板相抵；
采用偏压件使插管压紧基板。
8.根据权利要求6所述的基于瞬态平面热源的近场热辐射测量方法，其特征在于，
测量所述待测平板的近场热辐射系数具体包括：
在有限测量时间内对电极通电并施加恒定的电压；
通过检测所述电极两端的电阻变化获取所述电极两端电压随时间的变化曲线；
通过电极两端电压随时间的变化曲线可以通过相关公式获得所述电极两端温度随时间的变化曲线；
通过数值模拟软件建立三维传热真实的几何模型，并将所述几何模型与所述电极温升随时间的变化曲线进行拟合，得出待测样品的近场热辐射系数的实验值：
最后通过涨落耗散定理计算出待测样品的近场热辐射系数的理论值，并与实验值进行对比，来验证测量方法的可行性与合理性。
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测量方法，其特征在于，还包括：
更换不同的电极，采集各电极在同一待测平板、同一预设换热间距以及同一电压下的电极温升随时间的变化曲线。
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测量方法，其特征在于，
调节预设换热间距的大小，采集各预设换热间距在同一待测平板、同一电极以及同一电压下的电极温升随时间的变化曲线。
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