Nanophotonic Heat Exchanger for Enhanced Near-Field Radiative Heat Transfer

辐射传输 传热 传热系数 纳米光子学 材料科学 热辐射 热交换器 热力学 机械 微型热交换器 光电子学 物理 光学 复合材料
作者
Yoichiro Tsurimaki,Mohammed Benzaouia,Shanhui Fan
出处
期刊:Nano Letters [American Chemical Society]
卷期号:24 (15): 4521-4527
标识
DOI:10.1021/acs.nanolett.4c00506
摘要

Increasing near-field radiative heat transfer between two bodies separated by a vacuum gap is crucial for enhancing the power density in radiative energy transport and conversion devices. However, the largest radiative heat transfer coefficient between two realistic materials at room temperature is limited to around 2000 W/(m2·K) for a gap of 100 nm. Here, analogous to conventional plate-fin heat exchangers based on convection, we introduce the concept of a nanophotonic heat exchanger, which enhances near-field radiative heat transfer using two bodies with interpenetrating gratings. Our calculations, based on rigorous fluctuational electrodynamics, show that the radiative heat transfer coefficient between the bodies separated by a 100 nm gap can significantly exceed 2000 W/(m2·K) by increasing the aspect ratios of the gratings. We develop a semianalytical heat transfer model that agrees well with the rigorous calculations for design optimization. Our work opens new opportunities for enhancing near-field radiative heat transfer between any materials.
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