[发明专利]一种近场热辐射实验测量装置

说明书

技术领域

本发明涉及辐射换热测试技术领域，具体涉及一种近场热辐射实验测量装置, 包括：上位移加载装置、下位移加载装置、密封底盘装置、真空罩、测量单元、测距光纤。

背景技术

自然界中的一切物体，只要温度在绝对温度零度以上，都以电磁波和粒子的形式时刻不停地向外传送热量，这种传送能量的方式被称为辐射。物质中电子和粒子不断进行热振动使得物质会不断地辐射出电磁波。由热产生的电磁波辐射称为热辐射，波长范围为0.1μm-100μm。近场热辐射是指微纳米尺度下热辐射量增强的现象，该现象无法用斯忒藩-玻尔兹曼定律解释，以及与普朗克黑体辐射定律有偏差。其中辐射远近场的概念分别为：两物体距离远大于辐射主波长时，辐射能量交换可用辐射传递方程（RTE）或普朗克黑体分布描述，热辐射被抽象为粒子、光子；两物体间的距离足够小（微纳米尺度），存在波属性，只能由麦克斯韦方程描述。能否产生近场辐射的一个简单判断条件是：两物体间的距离小于其中该温度下最大黑体辐射力对应的波长λmax（由维恩位移定律给出）。在常温300K时，黑体最大辐射力对应波长为10μm量级。

近场热辐射在热管理中具有着相当大的潜力，许多学者已经在这方面做了大量的研究，其中理论研究采用随机麦克斯韦方程结合涨落耗散定律、并矢格林函数等方法结合去探索其中机理。然而，理论计算只能预测一些简单的几何体的近场辐射换热，一般的理论辐射传热模型结构有平行平板、球和平板以及两个同心圆桶等的简单结构。对于复杂几何的近场热辐射，尚未有完善的理论分析方法。

在实验测量近场热辐射方面，早期限于技术水平并未得到广泛的研究，直至90年代才开始利用微加工技术制作出微型针状探测器对近场热辐射进行深入实验研究，至今，扫描探针技术仍为微纳米尺度辐射传热测量实验中重要的方法。近场热辐射的实验测量通常需要再真空条件下进行，实验组需要同时具备热辐射的发射器和接收器，并且在实验中需要将发射器和吸收器放置到间距为微米或者纳米的相对位置，这是该实验测量中的重点和难点问题。目前近场热辐射测量装置主要有三类型：

第一类是利用改装的扫描探针作为发射器进行微球与平板或微球与微球间的近场热辐射测量，距离可达到纳米级，但在工程实践中，平板间的近场热辐射更具研究价值与实用性。

第二类采用传统机械装置结合微机电系统器件，如利用步进电机、差动螺钉等调节发射器与接收器间的距离，一般研究平板与平板间的近场热辐射，间距一般在亚微米到毫米间，缺点是以差动螺钉控制位移时，其分辨率最高在1微米左右难以达到纳米级别且机械结构复杂。

第三类是使用微纳米机电系统加工的装置，如悬空薄膜结构、微执行器结构，其中微执行器结构利用热膨胀的原理控制两微小平面的间距，从而研究相应的近场热辐射现象，缺点是结构与制造工艺复杂，需要预先进行力学等形变分析。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明解决的技术问题是实现在微纳米尺度下准确测量近场热辐射换热量，测量时横向热辐射损失小且机械结构简单。

为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案是一种近场热辐射实验测量装置，一种近场热辐射实验测量装置,包括：上位移加载装置、下位移加载装置、密封底盘装置、真空罩、测量单元和测距光纤，滑动螺杆依次从上至下连接所述上位移加载装置、下位移加载装置、密封底盘装置，滚珠套筒套装在所述滑动螺杆上对所述下位移加载装进行相对移动限位，所述真空罩罩住所述上位移加载装置、下位移加载装置并置于所述密封底盘上，所述测量单元安放在所述上位移加载装置、下位移加载装置之间，所述测距光纤贯穿所述上位移加载装置止于所述测量单元上；

所述上位移加载装置包括上支架、上加载板、压缩弹簧、T型台和螺杆，所述螺杆位于所述上支架中央从上而下螺纹穿过所述上支架顶住所述上加载板并可通过螺纹上下移动，所述上加载板、压缩弹簧、T型台依次相接，滑动螺杆穿过滚珠套筒17对所述T型台相对限位并固定在所述上支架下；

所述下位移加载装置包括压电驱动器、角度调节器、基板、定向钢球压力传感器和下支架，所述压电驱动器、角度调节器、基板、定向钢球压力传感器、下支架依次相连，所述滑动螺杆穿过滚珠套筒对所述基板进行相对限位并穿过所述基板、下支架并固定在底盘面板上；