专利名称：全天候集热器的选择性光学薄膜的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种辐射换热装置中的光学薄膜。
二.
背景技术：
在光学零件表面镀适当膜层以改善它的光学性能，这门研究膜系的物理过程和技术已成为光学的一个分支—薄膜光学。制膜工艺从化学沉淀法，经真空蒸镀，到物、化气相沉积的多种离子溅射法和粒子沉积法，尤其是纳米技术的出现，许多高性能的光学材料和多层介质反射膜系结构便应运而生了。太阳能热利用的涂料和膜系产品，品种已不少，但性能指标良莠不齐。
目前，针对阳光的光谱范围，采取“铝-氮-铝”的短波通(或称为高通)薄膜，效果比较理想。其截止波长为2.5μm，短波通覆盖着全部可见光(占阳光总能量的47％)及部分近红外(占阳光总能量的46％)，其吸收率标称α通带≮93％；集热器工作温度所对应的辐射波长在中远红外波段内，含在薄膜的截止段(长波阻段，亦称低阻段)，其辐射率ε截止段≯7％，从而热能极少以辐射散失，集热器获得热存积。
三.
发明内容
全天候集热器采集目标除阳光外，还包括昼夜都存在的自然环境的低温辐射，其波长扩展到中远红外甚至远红外波段内。若仍采用“铝-氮-铝”膜，自然环境中客观存在的低温热辐射必然被该膜系“拒之门外”，这恰恰拒绝了黑夜赐予的辐射能唯一的来源。因此，夜间工作将成为废话。
本发明的目的在于设制一种光学薄膜，无论在阴天还是在黑夜，使集热器对于全光谱辐射换热都有效热存积，实现真正意义的全天候集热。
本发明的技术方案是利用带阻滤波特性的光学薄膜，对凡来自送体的所有不同温度所对应的波长的辐射都充分透过，唯独对受体自身温度范围所对应波长的辐射全部反射，曲线呈马鞍形，具有类似热的二极管功能。如图2。
所述的全天候集热器的选择性光学薄膜，其特征是具有宽带带阻滤波特性，光谱带宽约为0.38～20μm，阻带的上(λ1)、下(λ2)截止波长是依集热器工作温度范围上、下限所对应的峰值波长而定，并且上截止波长应略短于上限峰值波长，下截止波长应略长于下限峰值波长，否则因辐射基本为峰值波长左右对称曲线，集热器工作温度上、下限处的能量将会造成损失。
本光学薄膜与“铝-氮-铝”膜两者的短波通作用等效；前者的带阻与后者的长波阻同样为保证集热器的温室效应；最值得关注的是本膜独具的长波通，因其允许环境低温热辐射透过，在白昼，除阳光之外又迭加有环境的低温热辐射，无怪乎热存积产生巨大量变；在夜间，对进入的低温热辐射实现辐射换热零的突破，这与只能白天集热的工况发生了质的跃变。
四.
图1-多层光学厚度为λo/4膜系的示意符说明H-高折射率膜层；L-低折射率膜层；A-空气；G-基底。
图2-在入射角等于零的情况下，膜系反射谱示意3-多层光学厚度为λo/4膜系漏波情况的示意符说明图2、图3中，横座标为波长(nm)；纵座标为反射率；λ1-上截止波长；λ2-下截止波长。
五.
具体实施例方式
本薄膜的光谱带宽应为0.38～20μm，可覆盖从阳光中的可见光到冬季夜间最低环境温度的热辐射(不可见光)，得以充分利用自然界的辐射。实际在自然界中，2.5～7.5μm的热辐射几乎不存在，之所以高通段从0.38μm保持到7.5μm，完全是为压窄阻带宽度以降低阻带宽化的工艺难度；低通带宽约为9.5～20μm；尽量满足夏季白天炎热高温到冬季夜间寒冷低温(约-50℃)的环境热辐射的吸收，再低温度的辐射能将无实用价值。故而，实例中阻带的上、下截止波长分别选为λ1＝7.5μm和λ2＝9.5μm，是针对集热器工作在30～100℃而言，于是，阻带带宽为2.0μm，阻带中心波长为8.5μm。
显然，本发明的带阻滤波光学薄膜，不但光谱带宽很宽，而且阻带也很宽，故从基底(或称衬底)、膜料，直到膜系结构的设计思路都十分关键。
根据物理光学原理，光波会在界面因反射和透射，而产生多光束干涉。这种干涉的结果决定了薄膜的光学性质。
理论推导出膜层的反射率随膜层的折射率变化，并随膜层的光学厚度做周期性的变化。实践表明，增反膜的膜层越多，多层膜系的高反射点越多，因而高反射区(阻带)增宽(宽化)。
本薄膜属于固体高反射带阻膜。多层介质高反射膜是由较高折射率nH和较低折射率nL的两种材料交替组成，各自的光学厚度为nidi＝λo/4(其中i＝L，H)的膜系，并且与基底和空气相邻的都是较高折射率的膜层，见图1。这种λo/4膜系通常用下列符号表示GLHLH...LHLA＝G(HL)pHA(p＝1，2，3...)其中G代表基底，A代表空气，H和L分别代表光学厚度为λo/4的高、低折射率膜层，2p+1为膜系的膜层数。
对于λo/4膜系由于在λo处的特殊性，可以得出在波长λo处的反射率ρλo为ρλo=[no-(nHnL)2pnH2ngno+(nHnL)2pnH2ng]2]]>其中no-空气的折射率；ng-基底的折射率。
显然，nH和nL的差别越大，层数越多，膜系的反射率就越高，阻带带宽越宽。
下面以全天候集热器的选择性光学薄膜的实施为例，做进一步说明首要的是基底和膜层的选材，两者的透射率是膜系通带透射率的基础，所以其自身的透射波段至少不窄于所需薄膜的光谱带宽，而阻带是在原通带某位置处通过增反措施人为造成的。另外，各自的折射率应共同满足膜系的匹配条件，以保证薄膜阻带的宽度、反射率及其阻带的矩形系数。
由于膜系可镀覆在集热器的不同部位，所以基底材质差异很大。以镀覆在透明遮挡层上为例，要求光谱带宽约为0.38-20μm，较高折射率nH和较低折射率nL两种材料的透射波段都应符合这标准范围。再根据nH和nL的差别越大膜系的反射率就越高这一特点，选择nH为氧化钛(TiO2)，透射波段为0.35～12μm，折射率为2.3。选nL为氟化钙(CaF2)，透射波段为0.12～12μm，折射率为1.32。基底ng选氟化钍(ThF4)，透射波段为0.2～15μm，折射率为1.52。
在选材保证nH＞ng＞nL之后，再经确定膜层数p，取得膜更好的光性能指标。由于层数不仅可调整波形平整度，即使通带内大部分波长的透过率τ≮80％，还可保证其矩形阻带的前、后沿之斜率和延迟均≯5％，从而提高光利率；阻带的反射率ρ≮90％，降低辐射散热。
因膜层厚度决定了阻带中心波长，反之以拟定的8.5μm为λo，也可反推出膜层几何厚度dH＝0.92μm，dL＝1.61μm。
当然由于多层膜系多光束干涉必然会有高阶反射谱线的影响，故允许波顶(通带)和波底(阻带)有漏波，如图3，漏波对应该带宽积分面积(无效率)≯20％；也允许在前后沿处有上冲、下跌和抖动，但是，其尖峰宽度≯50nm，保证80％以上的光源利用率。
最终，膜系结构可确定如下采用高反射带阻结构G(HL)pHA其中p＝10，即有21层膜。
nH＝2.3(TiO2)nL＝1.32(CaF2)ng＝1.52(ThF4)膜系在入射角等于零的情况下，反射谱示意图如图2。
基于应用状态，衬底可能是金属或塑料，膜料为化合物，兼顾衬底和膜料材质特性，制膜设备、工艺在众多可供采用的方案中选择物、化气相沉积的活性反应离子镀技术。
权利要求
1.一种全天候集热器的选择性光学薄膜，其特征是具有带阻滤波特性，光谱带宽约为0.38～20μm，阻带的上、下截止波长是依集热器工作温度范围上、下限所对应的峰值波长而定。
全文摘要
本发明涉及一种辐射换热装置中的选择性光学薄膜。对凡来自送体的所有不同温度所对应的波长的辐射尽可充分透过，唯独对受体自身温度范围所对应波长的辐射全部反射，展示出带阻滤波的特性。本光学薄膜与“铝－氮－铝”膜两者的短波通作用等效；前者的带阻与后者的长波阻同样为保证集热器的温室效应；最值得关注的是本膜独具的长波通，因其允许环境低温热辐射透过，在白昼，除阳光之外又迭加有环境的低温热辐射，无怪乎热存积产生巨大量变；在夜间，对进入的低温热辐射实现辐射换热零的突破，这与只能白天集热的工况发生了质的跃变。
文档编号F24J2/00GK101055319SQ20061007275
公开日2007年10月17日 申请日期2006年4月10日 优先权日2006年4月10日
发明者徐卫河 申请人:徐卫河