階梯導射體及階梯導射器的製作方法

2023-04-26 06:19:31

專利名稱：階梯導射體及階梯導射器的製作方法
技術領域：
本發 明涉及一種輻射應用技術，尤其是一種自動疏導輻射的階梯導射體及階梯導 射器。
背景技術：
人類目前的常規能耗90%是礦物燃料。從石油、天然氣的爭奪及供應波動的震撼， 數十年以後石油、天然氣耗竭的情景難以想像，人類必須儘快找到換代常規能源。為了尋找 新能源，我研究近三十年，參考四十多部國內外著作寫如下背景技術探討人們把能量分為機械能、化學能、電能、電磁能、原子能、熱能。輻射能既屬於電磁 能又屬於熱能，原子能、電能、化學能也有輻射能。輻射能是蘊藏最豐富的能量。輻射是物質，熱輻射是一種能量形式，是所有物質的固有屬性，所有物質都在不斷 地發射、吸收熱輻射，熱輻射具有動力學性質。要產生傳熱必須存在溫度梯度，所以傳熱必 然是熱力學的不平衡過程。傳熱通過熱動(分子熱運動)熱力學溫度梯度、輻射熱力學溫度 梯度實現。熱動溫度梯度傳熱依靠介質宏觀運動和微觀粒子熱運動，輻射溫度梯度的傳熱 是依靠電磁波傳輸，熱動傳熱與輻射傳熱有本質的不同，熱動傳熱，需要物質接觸、不能穿 越真空、能量不轉變、遵守熱力學第二定律、牛頓粘性定律、傅立葉熱傳導定律、非克擴散定 律等。輻射傳熱，不需要物質接觸，經過熱能-輻射能-熱能的能量轉換，穿越真空或透明介 質遠距離傳輸，遵守普朗克定律、維恩位移定律、斯忒潘-玻爾茲曼定律、蘭貝特定律、基爾 霍夫定律等，遵守逆二次方傳播定律，能折射、反射、散射、幹涉和偏振，能量傳輸過程中可 聚可散，大面積低密度太陽輻射能可聚集成小面積高密度，做成太陽灶、太陽能發電站。介 質對透射的輻射波長有選擇，太陽熱輻射波長主要集中在0. 3 μ m 3 μ m，很容易透射普通 玻璃，室內常溫物體的熱輻射波長大於3 μ m,不能透射普通玻璃，因此普通玻璃能夠把太陽 輻射的熱能保留在室內產生溫室效應。由於物性、塗層、溫度、波長、輻射角度等很多因素影響輻射，物體的輻射換能具有 方向性和選擇性。輻射波長、發射率、能流密度等差異可引起「紅移」、「藍移」，調製輻射在科 技界早已經展開研究和應用。封閉腔壁面的輻射換熱，除表面特性的變化外，輻射頻率、幾 何因素、透射介質特性等都影響一個表面發出的輻射到達另一個表面的份額，影響封閉腔 輻射能流密度、能流率和溫度的分布。目前的科技不能開發利用身邊多得讓人難受的漫射量子熱源，不能使用單一熱源 的能量，其原因首先在於能否逆轉換熱溫度梯度認識不清，有必要深入這方面的研究。1世界上還沒有器件具備整流單一熱源量子的自動換熱正負極單一熱源中的微粒總是不斷地相互交流能量子，微粒輻射和吸收量子處於平衡狀 態。開發單一熱源的器件需要具備自動整流單一熱源量子的換熱正負極。自動整流單一熱 源量子的換熱正負極是指在單一熱源中的器件，能夠不耗能地疏導從敞開面入射的輻射， 使敞開面與單一熱源的量子交流產生差距，自動維持敞開面輻射換熱的不平衡狀態，形成 換熱正負極，換熱淨輻射熱流量呈正值的敞開面為正極，換熱淨輻射熱流量呈負值的敞開面為負極。光學器件的導光系統、聚集系統等光學系統可以引導、聚集光輻射。比如通信光纖可以把光輻射引導到遠方；凸透鏡、凹面反光鏡、多平面聚焦系統等能夠將平行光聚集成高 密度輻射。光隔離器和光環路器是一種利用Faraday效應製成的使光單向傳輸的非互易性 器件，是在偏振方向互成45°角的兩個偏振器之間安置偏振方向為45°角的Faraday旋轉 器製成，能夠使特定偏振光沿著單一方向傳輸。在光纖傳導中，最基本、最典型的光耦合器是2X2定向耦合器。這種定向耦合器 是由兩條漸變折射率(Gradiqnt Indqx, GI)光纖按相位絞合、加熱、拉錐，使光纖內相位匹 配的光場由纖芯向外擴散成瞬逝場，進行能量交換，產生兩光纖之間波導的橫向耦合，能夠 將相位匹配的光場定向耦合，定向輸出。星形耦合器有M條輸入端和N條輸出端，表示成M X N，中間是耦合區，它把M路輸 入光纖送來的光信號合起來分送到N路光纖輸出。光柵能夠選擇性地定向透射、反射光的某些波段。單一熱源中的微粒不斷地相互交流量子，猶如交流電的電極不斷地相互交流電 子。電子二極體具有正負極，自動整流交流電。世界上所有的器件，不管是端面直接耦合、 楔形薄膜耦合、楔形光纖耦合、光柵耦合或陵鏡耦合等等，都不能夠整流單一熱源中的交流 量子，不能夠無能耗地疏導從敞開面入射的輻射，維持敞開面與單一熱源輻射換熱的不平 衡狀態，使一些敞開面有效換熱量子的流量減少成為負極，一些敞開面有效換熱量子的流 量增加成為正極，因此世界上目前還沒有器件具有自動整流單一熱源量子的換熱正負極。2.封閉腔波導換熱理論模型根據封閉腔理論，為了使所考慮的問題通過努力能夠得到解決，必須對封閉腔進 行比較多的條件限制和理想化處理。對封閉腔波導換熱模型的條件限制和理想化處理是 封閉腔為波導，封閉腔內部真空或者有不吸收輻射的透明介質；封閉腔有兩個敞開面，其它 為鏡面；鏡面對換熱沒有能量貢獻也不造成能量損失；敞開面的反射率為零，具有均勻的 有效輻射和投射輻射；黑體的輻射為敞開面的輻射源。2. 1漏鬥形封閉腔SI波導換熱模型漏鬥形封閉腔階躍折射率(Stqp Indqx, Si)波導換熱模型有一個漏鬥形鏡面1和 兩個面積為A3、^的敞開面，封閉腔內為真空或透明的SI介質。在

圖10漏鬥形封閉腔SI波導換熱模型示意圖中，黑體3從&.任意點a發出的 輻射分Aw、A3+2、A…三類=A3I2:是從A3發出直接聚焦到^的輻射；A3+2是從A3投射 鏡面1反射到達^的輻射； ，㈣是 發射折返回^的輻射。黑體2從^發出的輻射也分 A2，3、八2，1，3、A2-1-2 三類(未畫)Ah是從^直接入射^的輻射，A2^3.是從知投射鏡面1反射 到達A3的輻射；八㈧力是 發射返回八2的輻射。A3的輻射Aw、、1卜2與八2的輻射Am、AiH能 到達對面，為有效換熱輻射。2. 2漏鬥形封閉腔GI波導換熱模型漏鬥形封閉腔GI波導換熱模型有一個漏鬥形鏡面1和兩個面積為A3、A2的敞開 面，封閉腔內有透明的GI介質。如圖5，^為不對稱GI介質的低折射率表面，在高折射率表面鍍有增透膜。GI用虛線、雙點劃線和粗實線表示，虛線表示GI低折射率表面，粗實線表示高折射率表面，雙點劃 線表示中間過度折射率介質。黑體3從^的任意點a發出的輻射分為Au、A^2、AM三類， Am是從A3直接入射知的輻射；Α3+ζ是Al射鏡面1反射聚集到A2的輻射；Α3.3是從A3發射到 達黑體3的輻射。黑體2從^發出的輻射也分A2^ Am Am2三類(未畫出)，八2-..3是知直接 入射、的輻射，Aph是&投射鏡面1反射到達^的輻射，Aw，2:是從A2發出又返回A2的輻射，A3 的輻射Am、知^2與&的輻射AM、A2^3能夠到達對面，為有效換熱輻射。2. 3複合GI封閉腔波導換熱模型複合GI封閉腔波導換熱模型由若干個GI封閉腔共同構成。漏鬥形GI封閉腔波 導的大敞開面為負極，錐狀敞開面按相位與柱狀GI封閉腔波導耦合，柱狀GI封閉腔波導一 端垂直面有鏡面1，另一端為正極。圖11為複合GI封閉腔波導換熱模型的負極A3、A4與正極知福射換熱示意圖A3與A2輻射換熱黑體3從A3任意點a入射封閉腔的輻射分A3，2、A 、AH三類， AuiU3射達錐尖，然後耦合到柱狀GI封閉腔，入射A2; +2從^投射鏡面1反射到錐尖，再 耦合到柱狀GI封閉腔，入射A2; Am是從A3發射返回八3或入射黑體3的輻射。A4與A2輻射換熱黑體4從A4任意點a入射封閉腔的輻射分Am、iu— AH三類， AwWA4射達錐尖，然後耦合到柱狀GI封閉腔，入射A2; AohWA4.投射鏡面1反射到錐尖，再 耦合到柱狀GI封閉腔，入射A2; A^是A4:發射返回^或入射黑體4的輻射。A2發出的輻射分Am、Aw、Aw—、Au Az+4:五類(未畫出)是從A2發 射折返回^的輻射；A2，3、Am是從A2,入射GI柱狀封閉腔直接耦合到GI漏鬥形封閉腔到達 A3. ^的輻射；A2，h、Ah^是從Az發射，被鏡面反射後耦合到漏鬥形GI封閉腔到達A3、A4 的輻射。L·、A4的輻射AM、A3+2、Am、AM，2能到達A2,成為有效換熱輻射。A2.為不對稱 GI透鏡高折射率面，輻射入射角大的被不對稱GI透鏡折返回A2,入射角小的被不對稱GI及 其垂直面反射鏡折返回A2,因此從A2入射的輻射Am、Am3、Am、Ay4:基本上不存在，不 能成為換熱輻射。3.封閉腔波導換熱數學模擬3. 1用淨換熱法模擬封閉腔波導換熱史蒂芬_玻而茲曼定律黑體在單位時間內通過單位面積向外輻射的能量與熱力 學溫度的四次方成正比。即
eb= σ T4(1)
Eb=AoT4(2)式中eb—黑體在單位時間內通過單位面積向外輻射的能量，W ；Eb——黑體在單位時間內向外發射的輻射能，WnT2 ；A——物體的輻射面積，m2 ；T——熱力學溫度，K ；σ —史蒂芬-玻而茲曼常數，其值為5. 67X10" 8WrrT2 K"4.按照封閉腔波導換熱模型的條件和理想化處理，圖1、圖2黑體3(b3)、黑體2(b2)向 封閉腔敞開面發射的輻射全部成為波導的能流，那麼，b2,從A2向封閉腔輻射的能流密度為eb，b3從43向封閉腔輻射的能流密度也是eb，根據史蒂芬_玻而茲曼定律b3熱力學溫度為T3，b3從A3:射入封閉腔的輻射熱流量為Jb3*=A3eb=A3OT34，b2熱力學溫度為T2，b^A2射入封閉腔的輻射熱流量為Jw=A2eb = A20TA戸^為修正的角係數(Ai發射的輻射中，投射、反射、再輻射到達Aj的輻射份額。下 標"K j表示表面i的輻射到達表面j)，用淨輻射換熱法的有效輻射來求解換熱的熱流量A3 向A2輻射六3有熱流量JbhA3Fw:到達 A2,有熱流量GhW3 = J A3 (1 — R，2) = A30T34 (1 —片，2)返回 A3oA2 向A3輻射Ar有熱流量如IA2Fw到達A3,有熱流量Gb2，A2 = Jb2，A2 (1—F2i3) = A2CiTV(1 —Ri2)返回 A2。封閉腔通過 A3向 b3的有效輻射熱流量
八3。3 =如逝「2，3 + Gb3，A3 = A20T24Fz，3 + Α3θΤ34 ( 1 —「3，2)封閉腔通過 A2向 b2的有效輻射熱流量
八仲=Jb3iA3 F3" 2 + Gb2-A2 =八3。丁34 F3、+ Α ΟΤ/ ( 1 — F2-3 )封閉腔與黑體3在A3換熱
權利要求
1.階梯導射體，包含封閉腔階梯波導自動換能結構，其特徵在於封閉腔階梯波導換 能結構能夠不耗能地自動維持敞開面與單一熱源換熱的不平衡狀態，形成整流單一熱源量 子的自動換熱正負極，換熱淨輻射熱流量呈正值的敞開面為正極，換熱淨輻射熱流量呈負 值的敞開面為負極，負極與正極之間的波導為階梯波導。
2.根據權利要求1，封閉腔階梯波導自動換能結構的透射介質為同一種透射介質的多 層階梯波導結構。
3.根據權利要求1，封閉腔階梯波導自動換能結構的透射介質為多種透射介質的多層 階梯波導結構。
4.根據權利要求1，自動換熱正負極之間有空間。
5.根據權利要求1，自動換熱正負極之間安置濾波結構。
6.根據權利要求1，階梯波導自動換能結構的透射介質表面有增透膜。
7.根據權利要求1，若干封閉腔階梯波導自動換能結構的正極與一個封閉腔階梯波導 自動換能結構的負極耦合，成為複合封閉腔階梯波導結構。
8.根據權利要求1，若干封閉腔階梯波導自動換能結構的正極與一個波導結構耦合成 為複合封閉腔階梯波導結構。
9.根據權利要求1，若干封閉腔階梯波導自動換能結構、複合封閉腔階梯波導自動換 能結構的負極面向容器，形成從容器向外輸送輻射能的結構。
10.根據權利要求1，若干封閉腔階梯波導自動換能結構、複合封閉腔階梯波導自動換 能結構的正極面向容器，形成從外向容器輸送輻射能的結構。
全文摘要
階梯導射體及階梯導射器屬於輻射應用技術。階梯導射體為封閉腔階梯波導換熱結構，能夠利用材料因素、幾何結構與輻射特性恰當結合，不耗能地疏導量子，自動維持敞開面與單一熱源的輻射換熱處於不平衡狀態，形成整流單一熱源量子的換熱正負極，促使熱量自動地從負極流到正極，晝夜收集、開發、利用太陽能、常溫物質的自發輻射和其它各種輻射能，可把低溫系統的熱量聚集到高溫系統，能製做量子冰箱、量子空調、量子炊具、量子發電機、量子動力機等等，有助於量子能源的全面開發利用。
文檔編號G02B6/00GK102073089SQ20091011457
公開日2011年5月25日 申請日期2009年11月23日 優先權日2009年11月23日
發明者黎耕 申請人:黎耕