[发明专利]一种针对热传导和热辐射的热扩展装置

说明书

本发明属于热力学技术领域，具体为一种针对热传导和热辐射的热扩展装置。本发明的热扩展装置可以将一个小热源均匀地扩展成一个大热源，同时能够确保背景的温度分布不被影响。在热能输运的过程中，考虑两种传热形式：室温条件下的热传导、高温条件下的热辐射。其中，热传导和热辐射分别用傅里叶定律和Rosseland扩散近似处理。因此，热传导可以通过调节材料热导率来控制，热辐射可以通过调节材料的Rosseland平均消光系数来控制。通过设计这两个参数满足特定的要求，可以同时实现室温和高温情形下的热扩展装置。经过理论分析和有限元模拟验证，有助于实现均匀加热、智能热控等功能。

技术领域

本发明属于热力学技术领域，具体涉及一种针对热传导和热辐射的热扩展装置。

背景技术

在工业生产中，给物体加热是一种常见的操作手段。对于一些技术要求高、精度要求严的项目，能够让物体均匀地受热是非常重要的。然而，要想实现受热均匀，那就必须要有和物体尺寸相当的热源进行加热。这对实际生产提出了很大的挑战。因此，如何用一个小热源对一个大物体进行均匀加热显得格外重要。

本发明设计的热扩展器就能解决该技术难题，该装置能够将一个小热源均匀地扩展，并且使得背景温度不发生改变，这对均匀加热有着重要的意义。为此，我们考虑两种热传递形式：热传导和热辐射。之所以必须考虑热辐射，是因为在高温加热的情况下，热辐射的影响已经不可忽略。其中，热传导过程由傅里叶定律描述，热辐射过程由Rosseland扩散近似描述。本发明提出了一种有效介质理论来设计热扩展装置。通过这个理论，可以设计材料的等效热导率和Rosseland平均消光系数，从而实现热扩展的效果。有限元模拟表明：热扩展装置在稳态和非稳态下都表现良好。这项发明有望解决工业生产中均匀加热的难题，会大大提升效率。

发明内容

本发明的目的在于提出一种结构简单、热扩展性能优异的针对热传导和热辐射的热扩展装置。

本发明提出的针对热传导和热辐射的热扩展装置，包括：一个结构，使得一个小热源的热量能够均匀地扩展出去，从而不影响背景的温度分布，实现均匀加热的目的。该装置无论是在室温下以热传导为主的输运过程、还是高温条件下以热辐射为主的输运过程，都能发挥作用。

本发明提供的热扩展装置，关键是设计结构的热导率和Rosseland平均消光系数。其中，热传导可由热导率控制，热辐射可由Rosseland平均消光系数控制。根据背景材料，设计特定的结构参数，就可以确保背景的温度不受影响，这样便可以达到热扩展均匀加热的目的。

本发明同时适用于二维和三维。

本发明中，要计算结构的等效热导率和等效Rosseland平均消光系数，它们分别由傅里叶定律和Rosseland扩散近似理论描述。

所述的热扩展装置，如图1中实线部分所示，是由两个相同结构的椭球壳层在长轴方向相切处各取四分之一组成，即两个相同结构的椭球壳层按长轴方向上下排布时，以切点为基准，由上部壳层的下半部分的二分之一与由下部壳层的上半部分的二分之一组成，为上下对称结构；其中，核是绝热的。由于热学唯一性定理的保证，这样一个装置，并不会对背景温度分布产生影响。

假设核的热导率为0、相对折射率为1、Rosseland平均消光系数为无穷大。为了消除绝热层对背景温度分布的影响，壳层的参数需要精心设计：假设这个壳层的热导率为κ_s，相对折射率为n_s，Rosseland平均消光系数为β_s；背景(核)相对折射率为n_c，Rosseland平均消光系数为β_c；核的三条半轴长分别为λ_c1、λ_c2、λ_c3，壳层的三条半轴长分别为λ_s1、λ_s2、λ_s3。当壳层热导率(κ_s)和背景热导率(κ_bi)满足以下关系式时，就可以确保背景温度分布不受影响：