近接場放射熱伝達
Branch of radiative heat transfer
近接場法 (NFRHT)、古典的法 (CRT)、および離散双極子法 (DDA) を使用して計算された 2 つの球体間の放射熱伝達の予測。

近接場放射伝熱（NFRHT）は、放射伝熱の一分野であり、物体の大きさや物体間の距離が、熱エネルギーを交換する熱放射の主波長と同程度かそれ以下である状況、あるいは同程度かそれ以下である状況を扱います。この領域では、古典的な放射伝熱に固有の幾何光学的仮定は成立せず、電磁波の回折、干渉、トンネル効果の影響が正味の熱伝達を支配する可能性があります。これらの「近接場効果」により、熱伝達率は古典的な放射伝熱の 黒体限界を超える可能性があります。

歴史

NFRHT の分野の起源は、一般的にはソ連のセルゲイ・M・リトフの研究に遡ります。[1]リトフは、零度におけるほぼ完全な鏡から真空ギャップで隔てられた半無限の吸収体の事例を調べました。彼は、熱放射の発生源をランダムに変動する電磁場として扱いました。その後、米国では、様々なグループが波の干渉とエバネッセント波のトンネリングの影響を理論的に調べました。[2] [3] [4] [5] 1971 年に、ディルク・ポルダーとミシェル・ファン・ホーヴェは、任意の非磁性媒体間の NFRHT の完全に正しい最初の定式化を発表しました。[6]彼らは、小さな真空ギャップで隔てられた 2 つの半空間の事例を調べました。ポルダーとヴァン・ホーヴェは、変動散逸定理を使用して、熱放射の原因となるランダムに変動する電流の統計的特性を決定し、エバネッセント波が小さな隙間を越えた超プランク（黒体限界を超える）熱伝達の原因であることを明確に実証しました。

Polder と Van Hove の研究以来、NFRHT の予測において大きな進歩がありました。トレース公式[7] 、変動表面電流[8] [9]、および 2 項グリーン関数[10] [11]を含む理論的形式論がすべて開発されました。結果は同一ですが、各形式論は異なる状況に適用すると、多かれ少なかれ便利になることがあります。2 つの球間[12] [13] [14]、球の集合[13 ] [15]、球と半空間[16] [ 9]、および同心円筒[17]の NFRHT の正確な解は、すべてこれらのさまざまな形式論を使用して決定されています。他の形状での NFRHT については、主に有限要素法によって対処されています。メッシュ表面[8]法と体積[18] [19] [20]法は、任意の形状を処理するために開発されました。あるいは、曲面を平面のペアに離散化し、熱近接近似（デルジャガン近似と呼ばれることもある）を用いて、2つの半無限半空間のようにエネルギー交換を行うように近似することもできます。微粒子系では、離散双極子近似を適用できます。

理論

基礎

NFRHTに関する最近の研究のほとんどは、結果をランダウアーの式で表現している。[21]具体的には、物体1から物体2に伝達される正味の熱量は次のように表される。

P 1 → 2 , n e t = ∫ 0 ∞ { ℏ ω 2 π [ n ( ω , T 1 ) − n ( ω , T 2 ) ] T ( ω ) } d ω {\displaystyle P_{\mathrm {1\rightarrow 2,net} }=\int _{0}^{\infty }\left\{{\frac {\hbar \omega }{2\pi }}\left[n(\omega ,T_{1})-n(\omega ,T_{2})\right]{\mathcal {T}}(\omega )\right\}d\omega } 、

ここで、は換算プランク定数、は角周波数、は熱力学的温度、はボーズ関数、はボルツマン定数、そして ℏ {\displaystyle \hbar } ω {\displaystyle \omega } T {\displaystyle T} n ( ω , T ) = ( 1 / 2 ) [ coth ⁡ ( ℏ ω / 2 k b T ) − 1 ] {\displaystyle n(\omega ,T)=\left(1/2\right)\left[\coth {\left(\hbar \omega /2k_{b}T\right)}-1\right]} k b {\displaystyle k_{b}}

T ( ω ) = ∑ α τ α ( ω ) {\displaystyle {\mathcal {T}}(\omega )=\sum _{\alpha }\tau _{\alpha }(\omega )} 。

ランダウアー法では、熱伝達を離散的な熱放射チャネル で表します。個々のチャネルの確率 は0から1の間の値をとります。 α {\displaystyle \alpha } τ α {\displaystyle \tau _{\alpha }}

NFRHTは線形コンダクタンスとして報告されることもあり、[11]で示される。

G 1 → 2 , n e t ( T ) = lim T 1 , T 2 → T P 1 → 2 , n e t T 1 − T 2 = ∫ 0 ∞ [ ℏ ω 2 π ∂ n ∂ T T ( ω ) ] d ω {\displaystyle G_{\mathrm {1\rightarrow 2,net} }(T)=\lim _{T_{1},T_{2}\rightarrow T}{\frac {P_{\mathrm {1\rightarrow 2,net} }}{T_{1}-T_{2}}}=\int _{0}^{\infty }\left[{\frac {\hbar \omega }{2\pi }}{\frac {\partial n}{\partial T}}{\mathcal {T}}(\omega )\right]d\omega } 。

2つのハーフスペース

2つの半空間の場合、放射チャネルはs偏波とp偏波の直線偏波である。透過確率は[6] [11] [21]で与えられる。 α {\displaystyle \alpha }

τ α ( ω ) = ∫ 0 ∞ [ k ρ 2 π τ ^ α ( ω ) ] d k ρ , {\displaystyle \tau _{\alpha }(\omega )=\int _{0}^{\infty }\left[{\frac {k_{\rho }}{2\pi }}{\widehat {\tau }}_{\alpha }(\omega )\right]dk_{\rho },}

ここで、波数ベクトルの半空間の表面に平行な成分である。さらに、 k ρ {\displaystyle k_{\rho }}

τ ^ α ( ω ) = { ( 1 − | r 0 , 1 α | 2 ) ( 1 − | r 0 , 2 α | 2 ) | 1 − r 0 , 1 α r 0 , 2 α exp ⁡ ( 2 i k z , 0 l ) | 2 , if  k ρ ≤ ω / c 4 ℑ ( r 0 , 1 α ) ℑ ( r 0 , 2 α ) exp ⁡ ( − 2 | k z , 0 | l ) | 1 − r 0 , 1 α r 0 , 2 α exp ⁡ ( − 2 | k z , 0 | l ) | 2 , if  k ρ > ω / c , {\displaystyle {\widehat {\tau }}_{\alpha }(\omega )={\begin{cases}{\frac {\left(1-\left|r_{0,1}^{\alpha }\right|^{2}\right)\left(1-\left|r_{0,2}^{\alpha }\right|^{2}\right)}{\left|1-r_{0,1}^{\alpha }r_{0,2}^{\alpha }\exp {\left(2ik_{z,0}l\right)}\right|^{2}}},&{\text{if }}k_{\rho }\leq \omega /c\\{\frac {4\Im {\left(r_{0,1}^{\alpha }\right)}\Im {\left(r_{0,2}^{\alpha }\right)}\exp {\left(-2\left|k_{z,0}\right|l\right)}}{\left|1-r_{0,1}^{\alpha }r_{0,2}^{\alpha }\exp {\left(-2\left|k_{z,0}\right|l\right)}\right|^{2}}},&{\text{if }}k_{\rho }>\omega /c,\end{cases}}}

どこ：

  • r 0 , j α {\displaystyle r_{0,j}^{\alpha }} は媒質0と媒質1の間の偏波に対するフレネル反射係数である。 α = s , p {\displaystyle \alpha =s,p} j = 1 , 2 {\displaystyle j=1,2}
  • k z , 0 = ( ω / c ) 2 − k ρ 2 {\displaystyle k_{z,0}={\sqrt {(\omega /c)^{2}-k_{\rho }^{2}}}} は半空間の表面に垂直な領域0における波数ベクトルの成分であり、
  • l {\displaystyle l} は2つの半空間間の分離距離であり、
  • c {\displaystyle c} 真空中の光の速度です。

の熱伝達への寄与は伝播する波から生じますが、 の寄与は消失波から生じます。 k ρ ≤ ω / c {\displaystyle k_{\rho }\leq \omega /c} k ρ > ω / c {\displaystyle k_{\rho }>\omega /c}

アプリケーション

参考文献

  1. ^ Rytov, Sergei Mikhailovich (1953). 「[電気揺らぎと熱放射の理論]」.科学アカデミー出版局(ロシア語).
  2. ^ Emslie, AG (1961). 「近接したシールドによる放射線伝達」. 2021年8月2日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2021年8月1日閲覧。 {{cite journal}}:ジャーナルを引用するには|journal=（ヘルプ）が必要です
  3. ^ Cravalho, EG; Tien, CL; Caren, RP (1967). 「二つの誘電体間の放射伝達における小さな間隔の影響」Journal of Heat Transfer . 89 (4): 351– 358. doi :10.1115/1.3614396.
  4. ^ Domoto, GA; Tien, CL (1970). 「平行金属表面間の放射伝達の厚膜解析」. Journal of Heat Transfer . 92 (3): 399– 404. doi :10.1115/1.3449675.
  5. ^ Boehm, RF; Tien, CL (1970). 「平行金属表面間の放射伝達の微小空間解析」. Journal of Heat Transfer . 92 (3): 405– 411. doi :10.1115/1.3449676.
  6. ^ ab Polder, Dirk; Van Hove, Michel A. (1971). 「近接物体間の放射伝熱理論」 . Physical Review B. 4 ( 10): 3303– 3314. Bibcode :1971PhRvB...4.3303P. doi :10.1103/PhysRevB.4.3303 . 2021年8月1日閲覧。
  7. ^ Krüger, Matthias; Bimonte, Giuseppe; Emig, Thorsten; Kardar, Mehran (2012). 「非平衡カシミール相互作用、熱放射、および任意の物体の熱伝達に関するトレース式」. Physical Review B. 86 ( 11) 115423. arXiv : 1207.0374 . Bibcode :2012PhRvB..86k5423K. doi :10.1103/PhysRevB.86.115423. hdl : 1721.1/75443 . S2CID  15560455. 2021年8月1日閲覧。
  8. ^ ab Rodriguez, Alejandro W.; Reid, MTH; Johnson, Steven G. (2012). 「任意の形状における放射熱伝達の変動表面電流定式化」. Physical Review B. 86 ( 22) 220302. arXiv : 1206.1772 . Bibcode :2012PhRvB..86v0302R. doi :10.1103/PhysRevB.86.220302. hdl : 1721.1/80323 . S2CID  2089821. 2021年8月1日閲覧.
  9. ^ ab Rodriguez, Alejandro W.; Reid, MTH; Johnson, Steven G. (2013). 「放射熱伝達の変動表面流定式化：理論と応用」. Physical Review B. 88 ( 5) 054305. arXiv : 1304.1215 . Bibcode :2013PhRvB..88e4305R . doi :10.1103/PhysRevB.88.054305. hdl : 1721.1/88773 . S2CID  7331208. 2021年8月1日閲覧。
  10. ^ Volokitin, AI; Persson, BNJ (2001). 「ナノ構造間の放射熱伝達」. Physical Review B. 63 ( 20) 205404. arXiv : cond-mat/0605530 . Bibcode :2001PhRvB..63t5404V. doi :10.1103/PhysRevB.63.205404. S2CID  119363617. 2021年8月1日閲覧。
  11. ^ abc Narayanaswamy, Arvind; Zheng, Yi (2014). 「変動電磁力学におけるエネルギーと運動量伝達のグリーン関数形式論」. Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer . 132 : 12–21 . arXiv : 1302.0545 . Bibcode :2014JQSRT.132...12N. doi :10.1016/j.jqsrt.2013.01.002. S2CID  54093246. 2021年8月1日閲覧。
  12. ^ Narayanaswamy, Arvind; Chen, Gang (2008). 「2つの球体間の近傍場熱放射伝達」. Physical Review B. 77 ( 7) 075125. arXiv : 0909.0765 . Bibcode :2008PhRvB..77g5125N. doi :10.1103/PhysRevB.77.075125. S2CID  56454063. 2021年8月1日閲覧。
  13. ^ ab Mackowski, Daniel W.; Mishchenko, Michael I. (2008). 「隣接する波長サイズの球体間の熱放出と熱交換の予測」Journal of Heat Transfer . 130 (11). doi :10.1115/1.2957596.
  14. ^ Czapla, Braden; Narayanaswamy, Arvind (2017). 「2つのコーティングされた球体間の近接場熱放射伝達」. Physical Review B. 96 ( 12) 125404. arXiv : 1703.01320 . Bibcode :2017PhRvB..96l5404C. doi :10.1103/PhysRevB.96.125404. S2CID  119232589. 2021年8月1日閲覧。
  15. ^ Czapla, Braden; Narayanaswamy, Arvind (2019). 「近接した直線状の球体連鎖とその環境との間の熱放射エネルギー交換」. Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer . 227 : 4–11 . arXiv : 1812.10769 . Bibcode :2019JQSRT.227....4C. doi :10.1016/j.jqsrt.2019.01.020. S2CID  119434620. 2021年8月1日閲覧。
  16. ^ Otey, Clayton; Fan, Shanhui (2011). 「誘電体球とプレート間の電磁熱伝達の数値的厳密計算」. Physical Review B. 84 ( 24) 245431. arXiv : 1103.2668 . Bibcode :2011PhRvB..84x5431O. doi :10.1103/PhysRevB.84.245431. S2CID  53373575. 2021年8月1日閲覧。
  17. ^ Xiao, Binghe; Zheng, Zhiheng; Gu, Changqing; Yimin, Xuan (2023). 「同心円円筒間の近接場熱伝達」 . Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer . 303. Bibcode :2023JQSRT.30308588X. doi : 10.1016/j.jqsrt.2023.108588 . 2023年3月27日閲覧。
  18. ^ Edalatpour, Sheila; Francoeur, Mathieu (2014). 「3次元任意形状における近傍場放射伝熱シミュレーションのための熱離散双極子近似（T-DDA）」. Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer . 133 : 364–373 . arXiv : 1308.6262 . Bibcode : 2014JQSRT.133..364E . doi :10.1016/j.jqsrt.2013.08.021. S2CID  118455427. 2021年8月1日閲覧。
  19. ^ Edalatpour, Sheila; Francoeur, Mathieu (2016). 「任意形状物体と表面間の近接場放射伝熱」. Physical Review B. 94 ( 4) 045406. arXiv : 1604.04924 . Bibcode :2016PhRvB..94d5406E. doi :10.1103/PhysRevB.94.045406. S2CID  119286674. 2021年8月1日閲覧。
  20. ^ Walter, Lindsay P.; Tervo, Eric J.; Francoeur, Mathieu (2022). 「離散系グリーン関数法を用いた不規則形状誘電体粒子間の近接場放射伝熱」. Physical Review B. 106 ( 19) 195417. arXiv : 2204.05399 . Bibcode :2022PhRvB.106s5417W. doi :10.1103/PhysRevB.106.195417 . 2023年2月28日閲覧。
  21. ^ ab Biehs, S.-A.; Messina, R.; Venkataram, PS; Rodriguez, AW; Cuevas, JC; Ben-Abdallah, P. (2021). 「多体系における近傍場放射伝熱」. Reviews of Modern Physics . 93 (2) 025009. arXiv : 2007.05604 . Bibcode :2021RvMP...93b5009B. doi :10.1103/RevModPhys.93.025009. S2CID  220496584 . 2021年8月1日閲覧。
  22. ^ Bhatt, Gaurang R.; Zhao, Bo; Roberts, Samantha; Datta, Ipshita; Mohanty, Aseema; Lin, Tong; Hartmann, Jean-Michel; St-Gelais, Raphael; Fan, Shanhui; Lipson, Michal (2020). 「熱リサイクルのための統合型近接場熱光起電力」. Nature Communications . 11 (1): 2545. arXiv : 1911.11137 . Bibcode :2020NatCo..11.2545B. doi :10.1038/s41467-020-16197-6. PMC 7242323. PMID  32439917 . 
  23. ^ Basu, Soumyadipta; Francoeur, Mathieu (2011). 「ドープシリコンを用いた近接場放射伝達に基づく熱整流」.応用物理学レターズ. 98 (11): 113106. Bibcode :2011ApPhL..98k3106B. doi :10.1063/1.3567026.
  24. ^ Yang, Yue; Basu, Soumyadipta; Francoeur, Mathieu (2013). 「相転移材料を用いた放射線ベースの近接場熱整流」. Applied Physics Letters . 103 (16): 163101. Bibcode :2013ApPhL.103p3101Y. doi :10.1063/1.4825168.
  25. ^ Guha, Biswajeet; Otey, Clayton; Poitras, Carl B.; Fan, Shanhui; Lipson, Michal (2012). 「ナノ構造の近接場放射冷却」. Nano Letters . 12 (9): 4546– 4550. Bibcode :2012NanoL..12.4546G. doi :10.1021/nl301708e. PMID  22891815.
  26. ^ Challener, WA; Peng, Chubing; Itagi, AV; Karns, D.; Peng, Wei; Peng, Yingguo; Yang, XiaoMin; Zhu, Xiaobin; Gokemeijer, NJ; Hsia, Y.-T.; Ju, G.; Rottmayer, Robert E.; Seigler, Michael A.; Gage, EC (2009). 「近接場トランスデューサによる効率的な光エネルギー伝達を伴う熱アシスト磁気記録」Nature Photonics . 3 (4): 220– 224. Bibcode :2009NaPho...3..220C. doi :10.1038/nphoton.2009.26.
  27. ^ Stipe, Barry C.; Strand, Timothy C.; Poon, Chie C.; Balamane, Hamid; Boone, Thomas D.; Katine, Jordan A.; Li, Jui-Lung; Rawat, Vijay; Nemoto, Hiroaki; Hirotsune, Akemi; Hellwig, Olav; Ruiz, Ricardo; Dobisz, Elizabeth; Kercher, Dan S.; Robertson, Neil; Albrecht, Thomas R.; Terris, Bruce D. (2010). 「集積プラズモニックアンテナを用いた1.5 Pb m −2での磁気記録」Nature Photonics . 4 (7): 484– 488. Bibcode :2010NaPho...4..484S. doi :10.1038/nphoton.2010.90.
Retrieved from "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Near-field_radiative_heat_transfer&oldid=1319727108"