ДРОССЕЛЬНАЯ НАНОКРИОГЕННАЯ СИСТЕМА (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2006 года по МПК F25B9/02 

Изобретение относится к криогенной технике и может быть использовано при проектировании и производстве криогенных систем, предназначенных для поддержания на криогенном температурном уровне объектов микроэлектроники, экспериментальной физики, биологических исследований, а также нанотехнических устройств микро- и нанометровых размеров.

Известны дроссельные криогенные системы (КС), содержащие нереверсивный узел сжатия, дроссель, дроссельный теплообменник, теплообменники нагрузки и отвода теплоты (см. Справочник по физико-техническим основам криогеники. Под редакцией проф. М.П.Малкова, М., Энергоатомиздат, 1985, с.54-69).

Общими недостатками известных дроссельных КС при решении задач криостатирования микро- и нанообъектов являются:

- высокий уровень непроизводительных затрат холодопроизводительности, обусловленный большой охлаждаемой массой (низкотемпературные элементы собственно КС, система теплоизоляции, система коммуникаций охлаждаемого объекта с "теплыми" приборами и устройствами) и высоким уровнем теплопритоков к элементам КС, которые на несколько порядков превышают массу объекта охлаждения и уровень теплопритоков к нему;

- относительно большое время достижения охлаждаемым объектом рабочих криогенных температур, полностью определяемое временем охлаждения массы "холодных" элементов КС.

Наиболее близкой к заявляемому техническому решению является КС, содержащая дроссельный криогенный узел, выполненный непосредственно в подложке микросхемы (см. Криогенные системы, т.2, Основы проектирования аппаратов, установок и систем. Под общей редакцией А.М.Архарова и А.И.Смородина, М.: Машиностроение, 1999, с.698), принятый за прототип. Данное техническое решение, по сравнению с известными дроссельными КС, позволяет существенно уменьшить охлаждаемую массу, сократить время достижения температурой криостатируемого объекта рабочего уровня (время выхода на режим), улучшить энергетические и массогабаритные показатели системы "КС - объект охлаждения".

Основным недостатком этого технического решения является необходимость использования достаточно крупногабаритных и энергоемких источников рабочего газа (баллон или компрессор), многократно превышающих по габаритам и массе соответствующие параметры объекта охлаждения.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в повышении технической и экономической эффективности процесса криостатирования объектов микро- и нанометровых размеров.

Технический результат при осуществлении изобретения заключается в качественном уменьшении габаритов, массы и энергопотребления КС до уровня, на котором величина холодопроизводительности оказывается минимально достаточной для поддержания объекта охлаждения на требуемом криогенном уровне температур.

Указанный технический результат для осуществления изобретения достигается тем, что в известной дроссельной криогенной системе, содержащей нереверсивный узел сжатия, дроссель, дроссельный теплообменник, теплообменники нагрузки и отвода теплоты, особенность заключается в том, что дроссельный теплообменник выполнен параллельным соединением нанотрубок или навиванием одной нанотрубки на другую, теплообменники нагрузки и отвода теплоты выполнены из нанотрубок, а функции дросселя выполняет местное сужение нанотрубки. При этом нереверсивный узел сжатия выполнен посредством размещения вдоль нанотрубки контактных групп, на которые подается бегущее электрическое поле. Вариантом предложенного технического решения является дроссельная КС, в которой нереверсивный узел сжатия выполнен акустическим в виде профилированной наноструктуры или нанотрубок переменного диаметра и через его стенки пропускается переменный электрический ток.

Отличительной особенностью заявляемого технического решения является то, что выполнение дроссельной КС в соответствии с перечисленными признаками позволяет качественно уменьшить габариты КС до микро- и нанометровых размеров, а свойство наноструктур изменять свои размеры под действием электрического поля или при пропускании электрического тока используется для реализации функций нереверсивного узла сжатия, основанного на объемном или акустическом воздействии на заполняющий внутреннюю полость КС рабочий газ. При этом может быть обеспечено оптимальное соответствие габаритов и конфигурации теплообменника нагрузки КС условиям его стыковки с охлаждаемым объектом, благодаря чему непроизводительные затраты холодопроизводительности могут быть сведены к минимуму.

Таким образом, при реализации предлагаемого технического решения принципиально уменьшается масса, габариты и энергопотребление КС, величина охлаждаемой массы КС снижается до уровня массы охлаждаемого объекта, создаются условия для качественного улучшения тепловой стыковки КС и охлаждаемого объекта, сокращается время достижения температуры охлаждаемого объекта заданного уровня и снижаются непроизводительные затраты полезной холодопроизводительности.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявитель не обнаружил аналог, характеризующийся признаками, тождественными (идентичными) всем существенным признакам заявленного изобретения. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволило установить совокупность существенных, по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату, отличительных признаков в заявленном устройстве, изложенных в формуле изобретения, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения критерию "новизна".

Дополнительный поиск известных решений, проведенный с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявляемого устройства, показал, что заявляемое изобретение не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, определенного заявителем. Это позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию "изобретательский уровень".

Сущность заявляемого технического решения поясняет принципиальная схема КС, представленная на чертеже.

КС представляет собой замкнутый объем, заполненный рабочим газом (гелием) и образованный последовательно соединенными внутренними объемами нереверсивного акустического узла сжатия 1, выполненного в виде профилированной наноструктуры, выполненных из нанотрубок теплообменника отвода теплоты 2, дроссельного теплообменника 3, дросселя 4 и теплообменника нагрузки 5. Дроссельный теплообменник 3 представляет собой две параллельно расположенные нанотрубки, находящиеся во взаимном тепловом контакте. Вся КС выполнена из наноструктур, размеры которых определяют массогабаритные параметры системы в целом.

При работе КС источник питания подает переменное напряжение на нереверсивный узел сжатия 1, в котором осуществляется генерация перепада давления рабочего газа. Под действием этого перепада давлений газ проходит, охлаждаясь, через теплообменник отвода теплоты 2 и поступает в дроссельный теплообменник 3, проходя через который, вступает в теплообмен со встречным потоком холодного газа, идущего из теплообменника нагрузки 5 в направлении узла сжатия. Активное холодообразование осуществляется при дросселировании газа в дросселе 4. При этом в теплообменнике нагрузки 5 происходит поглощение газом теплоты на температурном уровне Тх, а в теплообменнике отвода теплоты 3 происходит отвод теплоты от рабочего газа в окружающую среду на температурном уровне Тос.

Для доведения заявляемого технического решения до промышленного использования на предприятии требуется проведение комплекса научно-технических, расчетных, экспериментальных и проектировочно-конструкторских работ.

Изобретение относится к криогенной технике и может быть использовано при проектировании и производстве криогенных систем, предназначенных для поддержания на криогенном температурном уровне объектов микроэлектроники, экспериментальной физики, биологических исследований, а также нанотехнических устройств микро- и нанометровых размеров. Дроссельная криогенная система содержит нереверсивный узел сжатия, дроссель, дроссельный теплообменник, теплообменники нагрузки и отвода теплоты. Дроссельный теплообменник выполнен параллельным соединением нанотрубок или навиванием одной нанотрубки на другую. Теплообменники нагрузки и отвода теплоты выполнены из нанотрубок. Функции дросселя выполняет местное сужение нанотрубки. В первом варианте нереверсивный узел сжатия выполнен посредством размещения вдоль нанотрубки контактных групп, на которые подается бегущее электрическое поле. Во втором варианте нереверсивный узел сжатия выполнен акустическим в виде профилированной наноструктуры или нанотрубок переменного диаметра и через его стенки пропускается переменный электрический ток. Технический результат: качественное уменьшение габаритов, массы и энергопотребления КС до уровня, на котором величина холодопроизводительности оказывается минимально достаточной для поддержания объекта охлаждения на требуемом криогенном уровне температур. 1 ил.

1. Дроссельная криогенная система, содержащая нереверсивный узел сжатия, дроссель, дроссельный теплообменник, теплообменники нагрузки и отвода теплоты, отличающаяся тем, что дроссельный теплообменник выполнен параллельным соединением нанотрубок или навиванием одной нанотрубки на другую, теплообменники нагрузки и отвода теплоты выполнены из нанотрубок, функции дросселя выполняет местное сужение нанотрубки, а нереверсивный узел сжатия выполнен посредством размещения вдоль нанотрубки контактных групп, на которые подается бегущее электрическое поле.2. Дроссельная криогенная система, содержащая нереверсивный узел сжатия, дроссель, дроссельный теплообменник, теплообменники нагрузки и отвода теплоты, отличающаяся тем, что нереверсивный узел сжатия выполнен акустическим в виде профилированной наноструктуры или нанотрубок переменного диаметра и через его стенки пропускается переменный электрический ток.