НАНОМОЛЕКУЛЯРНЫЙ ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЙ ДВИЖИТЕЛЬ Российский патент 2014 года по МПК F23R3/42 F23R3/60 

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ

Данная заявка является родственной с предварительными заявками США № 61/239446, поданной 3 сентября 2009 г., 61/264778, поданной 27 ноября 2009 г., и 61/296198, поданной 19 января 2010 г., полное содержание которых представлено здесь по ссылке.

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Изобретение относится к способам и устройству, которые вызывают движение текучих сред, например, газов, которые могут применяться в системах приведения в движения, при создании вакуума, для сжатия газа и в других вариантах использования.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Устройства для движения газов широко используются. Самые первые самолетные двигатели представляли собой пропеллеры с поршневым приводом. Они работали благодаря соединению поршневого двигателя с пропеллером. Их простота привела к широко распространенному их применению до тех пор, пока не были изобретены реактивные двигатели. Турбореактивные двигатели работают по принципу соединения турбины с топливной комбинированной системой. Вращение турбины сжимает топливно-воздушную смесь, которая при сгорании предоставляет тягу и крутящий момент для вращения турбины. Первые турбореактивные двигатели получали тягу из выхлопа, выходящего из двигателей. Современные разновидности турбореактивных двигателей включают в себя турбовинтовые и турбовентиляторные двигатели, которые используют крутящий момент, генерируемый при выхлопе, для привода пропеллера или вентилятора, в дополнение к сжатию топливно-воздушной смеси. Ракетные двигатели, вероятно, представляют собой одну из самых старых систем механического привода в движение, и не сильно изменились с начала их появления. Ракета содержит трубку или конус, в которой находится (или в которую подают) смесь топлива и окислителя. Расширяющийся газ, получаемый в результате сгорания этой смеси, создает тягу. Ракеты, хотя и предлагают наибольшее отношение топливо-тяга среди любых существующих систем приведения в движение, не могут легко изменять величину тяги, которую они создают. Даже добавление возможности включения или выключения ракеты существенно усложняет ее конструкцию.

Адгезия между двумя материалами может быть охарактеризована пятью типами: механическая, химическая, дисперсионная, электростатическая и диффузионная. Из этих пяти типов, до настоящего времени, только электростатическая и определенные типы механической адгезии представляли собой легко обратимые процессы. Вакуум может использоваться для присоединения поверхностей и подъема материалов. Однако, такие устройства, обычно, требуют отдельных механизмов для создания пониженного давления и приложения вакуума к поверхности.

Как правило, в традиционных системах приведения в движения, упомянутых выше, также может использоваться сжатый газ. Также возможно сжимать газ в соответствии с законом идеального газа, таким образом, как, например, в поршневом или диафрагменном насосе. В современных устройствах обычно требуются насосные устройства, отдельные от резервуара, находящегося под давлением.

Давно известна способность разности температур приводить в движение поток газа на поверхности. В 1873 г. сэр Вильям Крукс разработал радиометр для измерения излучаемой энергии тепла и света. В настоящее время радиометр Крукса часто продают, как сувенир в магазинах музеев. Он состоит из четырех лопастей, каждая из которых выполнена черной с одной стороны и светлой с другой. Они прикреплены к ротору, который может вращаться с очень малым трением. Механизм установлен внутри прозрачного стеклянного сосуда, из которого удалена большая часть, но не весь воздух. Когда свет падает на лопасти, лопасти вращаются так, что при этом черные поверхности, как кажется, подталкиваются светом.

Крукс первоначально объяснял, что излучение света вызывает давление на черных сторонах, что приводит к вращению лопастей. Его статью рецензировал Джеймс Клерк Максвелл, который принял это пояснение, поскольку, как ему казалось, оно соответствовало его теориям электромагнетизма. Однако, свет, падающий на черную сторону лопастей, поглощается, в то время как свет, падающий на серебряную сторону, отражается. Это должно было бы прикладывать в два раза большее давление излучения на светлую сторону, чем на черную, означая, что мельница вращается не в ту сторону, если принять, что исходное объяснение Крукса является правильным. Другие неправильные пояснения были предложены впоследствии, некоторые из которых продолжают существовать до настоящего времени.

Одно из предположений состоит в том, что газ внутри сосуда в большей степени нагревается из-за излучения, поглощаемого на черной стороне, чем на светлой стороне. Давление более теплого газа, как предполагалось, толкает темную сторону лопастей. Однако, после более тщательного анализа, Максвелл показал, что в результате такого эффекта не должна возникать результирующая сила, а только установившийся поток тепла через лопасти. Другое неправильное пояснение, которое широко распространено даже в настоящее время, состоит в том, что более быстрое движение горячих молекул на черной стороне лопастей предоставляет нажим.

Правильное пояснение действий радиометра Крукса может быть выведено из работы Осборна Рейнолдса, поданной в Королевское общество в начале 1879 г. Он описал поток газа через пористые пластины, вызванный разностью температур на противоположных сторонах пластин, которую он назвал "температурным просачиванием". Газ при однородном давлении протекает через пористую пластину от холодной стороны к горячей. Если пластины не могут двигаться, достигается равновесное состояние, когда отношение давлений с обеих сторон составляет квадратный корень отношения абсолютных температур. В докладе Рейнолдса также обсуждался радиометр Крукса. Рассмотрим кромки лопастей радиометра. Кромка более теплой стороны передает большую силу ударяющим под углом молекулам газа, чем холодная кромка. Этот эффект вызывает движение газа из-за температурного градиента на поверхности кромки. Лопасть движется от нагретого газа и в направлении более холодного газа, при этом газ проходит вокруг кромки лопастей в противоположном направлении. Максвелл также рецензировал работу Рейнолдса, что побудило его написать свой собственный доклад "О напряжениях в разреженном газе, возникающих из-за неоднородностей температуры". Статья Максвелла, которую Рейнолдс одновременно хвалил и критиковал, была опубликована в Philosophical Transactions of the Royal Society в конце 1879 г., появившись до публикации статьи Рейнолдса. См., Philip Gibbs in "The Physics and Relativity FAQ," 2006, в math.ucr.edu/home/baez/physics/General/LightMill/light-mill.html.

Несмотря на описания Рейнолдсом и Максвеллом потока газа, движение которого осуществляется под воздействием тепла на поверхности уже в конце 19-ого столетия, потенциал движения газов в результате взаимодействия с горячими и холодными поверхностями не был полностью реализован. Работа радиометра Крукса требует разреженного газа (то есть газа, давление которого намного ниже, чем атмосферное давление), и поток газа через пористые пластины не позволяет получить пригодную для употребления тягу, в частности, из-за толщины и из-за случайной компоновки пор в пористых пластинах.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Описано устройство, выполненное с возможностью приведения в движение газа. В некоторых вариантах осуществления устройство содержит множество слоев, скомпонованных в стопку, и средство нагрева и/или охлаждения прилегающих слоев для формирования чередующихся горячих и холодных слоев, и, по меньшей мере, одно сквозное отверстие в стопке. В некоторых вариантах осуществления каждый горячий слой является более горячим, чем непосредственно прилегающие холодные слои, и каждый холодный слой является более холодным, чем непосредственно прилегающие горячие слои. Поверхность каждого горячего слоя располагается во внутренней части сквозного отверстия, и поверхность каждого холодного слоя располагается во внутренней части сквозного отверстия.

В других вариантах осуществления устройство содержит, по меньшей мере, первый и второй слои, и средство нагрева и/или охлаждения прилегающих слоев для формирования чередующихся горячих и холодных слоев, и, по меньшей мере, одно отверстие через горячие и холодные слои. Предпочтительно каждый горячий слой имеет канавку, обращенную внутрь и в первом направлении. Угол между канавкой каждого горячего слоя и центральной осью сквозного отверстия обозначен θ2. Также предпочтительно каждый холодный слой имеет канавку, обращенную внутрь и во втором направлении, противоположном первому направлению. Угол между канавкой каждого холодного слоя и центральной осью сквозного отверстия обозначен θ1. В некоторых вариантах осуществления сумма θ1 и θ2 попадает в диапазон приблизительно от 85° до 95°.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг. 1 показывает пластину Пельтье.

Фиг. 2 показывает схемы потока газа вокруг пластины Пельтье фиг. 1.

Фиг. 3 показывает газ, заключенный в квадратном ящике с параллельными горячими стенками и параллельными холодными стенками.

Фиг. 4 показывает результирующие силы, действующие на стопку наномолекулярных твердотельных электродинамических движителей (NMSet) с пилообразной геометрией.

Фиг. 5 показывает скорости частиц газа вокруг стопки NMSet с пилообразной геометрией.

Фиг. 6 показывает эффект термотуннелирования, который усиливает эффект Пельтье.

Фиг. 7 показывает стопку NMSet с параболической геометрией.

Фиг. 8 показывает схемы потока газа вокруг стопки NMSet по фиг. 7 и импульсное пространство газа.

Фиг. 9 показывает стопку NMSet с треугольной геометрией.

Фиг. 10 показывает импульсное пространство газа вокруг стопки NMSet с треугольной геометрией.

Фиг. 11 показывает стопку NMSet с пилообразной геометрией.

Фиг. 12 показывает импульсное пространство газа вокруг стопки NMSet с пилообразной геометрией.

Фиг. 13 показывает разрез NMSet с внутренней компоновкой Пельтье.

Фиг. 14 показывает вид в перспективе NMSet с внутренней компоновкой Пельтье по фиг. 13.

Фиг. 15 показывает вид в перспективе NMSet с внешней компоновкой Пельтье.

Фиг. 16 показывает разрез NMSet с внешней компоновкой Пельтье по фиг. 15.

Фиг. 17 показывает вид в перспективе NMSet с внешней компоновкой, не являющейся компоновкой Пельтье.

Фиг. 18 показывает разрез ступенчатой компоновки NMSet.

Фиг. 19 показывает вид NMSet с прямой геометрией.

Фиг. 20 показывает примерный способ производства NMSet.

Фиг. 21 показывает другой примерный способ производства NMSet.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ВОПЛОЩЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В предпочтительных вариантах воплощения устройство, описанное здесь, может называться наномолекулярным твердотельным электродинамическим движителем (NMSet). Принципы работы NMSet позволяют применять NMSet в областях приведения в движение, адгезии и охлаждения, в зависимости от способа, с помощью которого используется NMSet. В предпочтительных вариантах осуществления NMSet и соответствующие устройства предоставляют легкое, компактное, энергетически эффективное создание разности давления газа с регулируемой скоростью потока.

ПРИВЕДЕНИЕ В ДВИЖЕНИЕ

В некоторых вариантах осуществления NMSet может предложить одно или больше следующих улучшений в области приведения в движение:

1. Улучшенная устойчивость к внешним воздействиям: повреждение любой области в обычной системе приведения в движение, вероятно, может привести к отказу всей системы. NMSet предоставляет улучшенную избыточность и надежность.

2. Легкий вес: NMSet не требует какого-либо определенного топлива, в связи с этим исчезает топливная нагрузка.

3. Масштабируемость: обычные системы движителей нельзя легко масштабировать оптимальные турбореактивные двигатели для малых самолетов не являются масштабными уменьшениями оптимальных турбореактивных двигателей для больших самолетов.

4. Время отклика: тягу NMSet можно легко регулировать в соответствии с изменениями потребностей.

5. Независимость от энергии: обычные системы приведения в движение требуют для работы конкретный тип или класс топлива, в то время как NMSet требует только источник разности температур, которая может быть образована с помощью электричества.

6. Экологически чистое приведение в движение: поскольку не требуется, чтобы NMSet зависел от ископаемых топлив для работы, он не образует загрязняющего выхлопа (например, окиси углерода, оксида азота) во время обычной работы.

АДГЕЗИЯ

В некоторых вариантах осуществления устройство NMSet может использоваться как легкий механический адгезив. Процесс может быть реверсивным, поскольку единственный этап, требуемый для реверсирования адгезии, представляет собой отключение питания NMSet. Использование NMSet может предоставлять дополнительное преимущество по сравнению с электростатической адгезией в том, что NMSet не требует, чтобы материал, который требуется присоединить, был плоским или электропроводным. По сравнению с другими процессами механической адгезии использование NMSet может не требовать предварительной обработки поверхности, присоединение которой требуется осуществить.

СЖАТИЕ ГАЗА

Поскольку устройство NMSet может быть скомпоновано для привода в движение потока газа через поверхность, весь или часть резервуара под давлением может функционировать для предоставления сжатия газа. Таким образом, в некоторых вариантах осуществления отдельная накачка и содержание газа под давлением могут не требоваться. Кроме того, поскольку действие NMSet обычно происходит на коротком расстоянии, возможно в некоторых вариантах осуществления использовать NMSet как чрезвычайно компактный компрессор, путем установки друг на друга множества ступеней NMSet. Обычные системы приведения в движение, как правило, работают на масштабах длин сантиметров и иногда метров. Таким образом, последовательная установка обычных двигательных установок приводит к тому, что образуется сложное и дорогостояще предложение. В отличие от этого NMSet может работать на микрометрах. Кроме того, эксплуатационная гибкость NMSet означает, что NMSet может быть непосредственно выполнен с возможностью функционировать в качестве насоса высокого давления, стандартного атмосферного насоса или, при достаточном количестве ступеней, насоса высокого вакуума.

КОНСТРУКЦИЯ NMSET

В одном аспекте NMSet и соответствующих устройств, описанные здесь, могут быть представлены как функционирующие в результате снижения энтропии в газе, находящемся в контакте с NMSet. Необязательно, устройство может добавлять энергию, например, тепловую энергию газу. В другом аспекте геометрия NMSet может влиять на направление потока газа и удобство использования. NMSet и соответствующие устройства могут отличаться от предыдущих устройств выделения тепла и т.п. комбинированным применением масштабных параметров, материалов, имеющих предпочтительные свойства молекулярного отражения, геометрии и/или компоновки элементов, которые обеспечивают существенное повышение эффективности. Здесь описаны различные примерные варианты осуществления NMSet с обсуждением их и других параметров, которые в предпочтительных вариантах осуществления могут создать сильный поток газа в определенном направлении с минимальными термодинамическими потерями.

Снижение энтропии в газе с помощью NMSet может быть представлено преобразованием А в импульсном пространстве k газа. А можно выразить в матрице, после того как набор подходящих оснований будет выбран для импульсного пространства k. Если математическое ожидание преобразованного импульсного пространства Ak не является равным нулю, на NMSet воздействует результирующий момент в противоположном направлении математическому ожиданию, из-за сохранения момента.

Геометрия NMSet может быть оптимизирована для эффективного функционирования. Геометрия NMSet влияет на матрицу A преобразования. Структура, которая формирует матрицу А, по существу, равной единичной матрице I, не создает смещение результирующего момента (то есть не делает так, что преобразованное импульсное пространство Ak имеет ненулевое значение математического ожидания). Скорее, могут формироваться вихри газа. Геометрии, которые приводят к получению больших собственных значений A, проявляют тенденцию выражать более эффективную функцию, например, в которой больший импульс переносится частицами газа, двигающимися в определенном направлении.

В качестве примера, рассмотрим пластину 100 Пельтье, погруженную в газ, показанную на фиг. 1. Пластина 100 Пельтье содержит верхний слой 101 и нижний слой 102. Для простоты можно использовать Декартову систему координат, ось Y которой направлена от нижнего слоя 102 к верхнему слою 101. Разность температур может быть установлена с помощью устройства Пельтье (не показано) между слоями или любого подходящего средства, таким образом, чтобы верхний слой 101 был более холодным, чем газ, и нижний слой 102 был более горячим, чем газ. Хотя и не желая ограничиваться какой-либо конкретной теорией, эффект Пельтье, вероятно, не создает результирующий перенос тепла в газ, преобразование, вызванное пластиной 100 Пельтье в импульсном пространстве k газа, может быть выражено эрмитовой матрицей A. Когда частица газа (молекула или атом) сталкивается с нижним слоем 102, предполагая, что столкновение будет неадиабатическим, частицы газа отталкиваются с более высокой скоростью, чем перед столкновением. Когда частица газа сталкивается с верхним слоем 101, предполагая, что столкновение является неадиабатическим, частицы газа отталкиваются от верхнего слоя 101 с меньшей скоростью, чем перед столкновением. На пластину 100 Пельтье воздействует результирующая сила, направленная на нижний слой 102 от верхнего слоя 101, то есть результирующая сила в направлении y. Другими словами, нижний слой 102 нагревается и, таким образом, увеличивает давление газа ниже нижнего слоя 102, в то время как верхний слой 101 остывает и, таким образом, снижает давление газа, выше верхнего слоя 101. Разность давлений приводит в движение вверх пластину 100 Пельтье. Что касается преобразования импульсного пространства k газа, поскольку частицы газа, отталкивающиеся от верхнего слоя 101, остаются с меньшим импульсом, чем частицы газа, отталкивающиеся от нижнего слоя 102, преобразованное импульсное пространство Ak становится искаженным предпочтительно в направлении -y, то есть значение p математического ожидания преобразованного импульсного пространства Ak является ненулевым и направлено в направлении -y. Предполагая, что газ и пластина 100 Пельтье составляют замкнутую систему (то есть отсутствует взаимодействие с другими объектами), пластина 100 Пельтье получает импульс -p для сохранения общего импульса замкнутой системы.

В то время как геометрия пластины 100 Пельтье на фиг. 1 действительно формирует подъем, причина, по которой ее нельзя использовать практически, состоит в следующем:

1. Если пластина 100 Пельтье велика, поступательное перемещение пластины 100 Пельтье вдоль направления Y вынуждает газ постоянно протекать вокруг кромок пластины Пельтье.

2. Большая часть тепла передается от поверхностей пластины 100 Пельтье через конвекцию газа.

3. Газ рядом с поверхностями имеет изолирующий эффект. Передача импульса между пластиной 100 Пельтье и газом является неэффективной, за исключением непосредственной близости к кромкам пластины, как показано на фиг. 2.

4. Площадь поверхности пластины 100 Пельтье представляет собой площадь поверхности ее выпуклой оболочки.

Все эти проблемы связаны с проблемой одной активной зоны, очень небольшое количество газа имеет какой-либо прямой контакт с поверхностью. Таким образом, более сложная геометрия может быть предпочтительной. Примерные варианты осуществления с тремя разными геометриями описаны ниже.

ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ

Хотя возможны множество разных геометрий NMSet или соответствующих устройств, принцип работы NMSet остается тем же. Хотя и не желая ограничиваться какой-либо конкретной теорией, во время работы используется энергия для снижения энтропии на некоторых поверхностях устройства, и передача пониженной энтропии в газ, находящийся в контакте с поверхностью. Устройство может, необязательно, передавать энергию в газ путем повышения температуры газа. Функция NMSet может, поэтому, быть разделена на три области: средство, с помощью которого энтропия на поверхностях устройства понижается, средство, с помощью которого пониженную энтропию передают в газ, и необязательное средство, с помощью которого повышается температура газа.

РАЗНОСТЬ ТЕМПЕРАТУР

Обычно для работы NMSet или соответствующего устройства требуется разность температур между слоями материала. В предпочтительных, описанных здесь вариантах осуществления разность температур может быть установлена в твердотельном электродинамическом механизме, то есть в "Se" в NMSet. Однако, устройства и способы, описанные здесь, не ограничены электронными или исключительно твердотельными устройствами. Например, разность температур может быть установлена посредством передачи тепла от сгорания, используя жидкий хладагент, экзотермической химической реакции или другого химического источника. Разность температур может быть установлена посредством простого резистивного нагрева, посредством эффекта Пельтье, посредством эффекта Пельтье усиленного термотуннелированием или посредством любого другого соответствующего средства. Средство, с помощью которого разность температур устанавливается между двумя объектами, может быть феноменологически описано двумя характеристиками: снижение энтропии (теплоперенос между двумя объектами) и неадиабатичность(общий теплоперенос между окружающей средой и двумя объектами).

В одном варианте осуществления эффект Пельтье может использоваться для установления разности температур. Эффект Пельтье возникает, когда электрический ток применяют в контуре, состоящем из двух материалов с разными коэффициентами Пельтье, соединенными в двух контактах. В зависимости от направления электрического тока тепло протекает от одного контакта к другому, вызывая установление разности температур между контактами. Эффект Пельтье можно понимать следующим образом: теплоемкость носителей заряда в материале характеризуется коэффициентом П Пельтье, который представляет собой количество тепла, переносимого носителями единичного заряда в материале. Когда электрический ток I протекает через контакт материала A с коэффициентами ПА Пельтье и материала B с коэффициентом ПВ Пельтье, количество тепла, переносимого носителями заряда в контакт за единичное время составляет I·(ПА -ПВ).

Эффект Пельтье локально уменьшает энтропию и является адиабатическим. Если предположить, что джоулевым нагревом можно пренебречь, в эффекте Пельтье тепло переносится от одного контакта к другому, но тепло не добавляется в контуре из двух материалов. Такое уменьшение энтропии может предоставлять преимущество, состоящее в возможности укладки в стопку NMSet и соответствующих устройств. Следовательно, эффект Пельтье сам по себе чрезвычайно подходит для использования в некоторых вариантах осуществления.

В этом варианте осуществления источник питания возбуждает электрический ток между двумя поверхностями. Носители заряда, такие как электроны и/или дырки, переносят тепло по мере их протекания с электрическим током и, таким образом, формируют разность температур между двумя поверхностями. Энтропия уменьшается, когда устанавливается разность температур.

Фононный поток уменьшает разность температур, установленную эффектом Пельтье. Если разрешить свободное протекание фононов (то есть, бесконечная удельная теплопроводность или нулевая теплоемкость), то их поток нейтрализует разность температур, установленных посредством эффекта Пельтье. Эффективность эффекта Пельтье может быть повышена, путем уменьшения электрического сопротивления и теплопроводности.

Один способ уменьшения теплопроводности состоит в размещении узкого вакуумного зазора на пути электрического тока. Фононы не могут легко пройти через вакуумный зазор, но носители заряда могут делать это при напряжении, приложенном к вакуумному зазору. Это называется эффектом Пельтье, улучшенным термотуннелированием (или охлаждение термотуннелированием). Фиг. 6 показывает схему эффекта Пельтье, улучшенного термотуннелированием. Носители 601 заряда могут туннелировать через вакуумный зазор 602.

Эффект Пельтье, улучшенный термотуннелированием, обычно является существенным только при высоких температурах или напряжениях, если только не будет достигнуто улучшение в результате выбора структуры поверхности и материалов, которые могут ограничить поведение носителей заряда рядом с вакуумным зазором и повысить вероятность туннелирования. Например, подходящие покрытия поверхности и структуры могут функционировать как фильтр, который не разрешает состояния с низкой энергией носителей заряда, а только состояния с высокой энергией носителей заряда рядом с вакуумным зазором.

В другом варианте осуществления разность температур может быть создана и поддерживаться посредством термоэлектронной эмиссии, усиленной полем. Термоэлектронная эмиссия представляет собой индуцированный теплом поток носителей заряда через потенциальный энергетический барьер. Носители заряда могут представлять собой электроны или ионы (то есть термоионы). При простой аппроксимации потенциальный энергетический барьер действует как плотина в том, что он сдерживает носители с тепловой энергией, меньшей, чем его высота, и позволяет носителям с тепловой энергией, большей, чем его высота протекать через него. Когда протекающие носители проходят через потенциальный энергетический барьер, вместе с ними переносится тепло. Носители, оставшиеся позади барьера потенциальной энергии, повторно термализуются (перераспределяют энергию) до более низкой температуры. Термоэлектронная эмиссия обычно требует рабочей температуры нескольких сотен градусов Цельсия, таким образом, что не ничтожно малая часть носителей имеет тепловую энергию достаточно большую для преодоления потенциального энергетического барьера. Электрическое поле может способствовать термоэлектронной эмиссии путем уменьшения высоты барьера потенциальной энергии и уменьшения требуемой рабочей температуры.

Разность температур в NMSet или соответствующем устройстве также может быть установлена путем использования резистивного нагрева и/или соответствующих химических процессов. Для поддержания разности температур без повышения общей температуры устройства некоторое охлаждающееся средство также может быть предусмотрено, такое как теплоотвод, открытый в атмосферу. Независимо от того, какое средство охлаждения используется, разность температур является более выраженной, если более теплые поверхности устройства не охлаждаются так же эффективно, как более холодные поверхности, что может быть достигнуто, например, с помощью термоизоляции.

ФОРМИРОВАНИЕ СИЛЫ

В одном аспекте получение результирующей тяги можно рассматривать как перенос пониженной энтропии из установленной разности температур в газ. Не желая ограничиваться какой-либо теорией, рассмотрим работу отдельного устройства в газе, как адиабатический процесс. В этом примере разность температур между горячим и холодным слоями может быть установлена с помощью подходящего средства, такого как эффект Пельтье. Для простоты предположим, что отсутствует суммарный теплообмен между газом и устройством. Частицы газа ударяют в горячие и холодные слои с равными вероятностями, и их взаимодействие с этими слоями будет иметь влияние на локальное импульсное пространство газа рядом с поверхностями горячих и холодных слоев. Локальное импульсное пространство газа очень близкое к поверхности горячего и холодного слоев имеет ненулевое математическое ожидание, когда газ и поверхность имеют разные температуры. Предположим также, что частицы газа не проникают через поверхность, частицы газа отскакивают от поверхности с импульсами, отличающимися от их импульсов падения, что приводит к искажению импульсного пространства вдоль нормали поверхности, и величина искажения непосредственно связана с разностью температур между поверхностью и газом.

В компоновке со случайной геометрией (то есть нормали поверхности в разных местах поверхности направлены в случайных направлениях) взвешенная сумма значений математического ожидания локальных импульсных пространств газа приблизительно равна нулю, что приводит практически к отсутствию результирующей тяги. В NMSet с оптимизированной геометрией, однако, взвешенная сумма математических ожиданий локальных импульсных пространств газа может быть ненулевой, что приводит к результирующей тяге.

Тривиальный пример компоновки, которая имеет ненулевую суммарную тягу, показан на фиг. 1, как описано выше. Эта геометрия не является очень эффективной, поскольку макроскопические конвективные потоки газа и образований вихрей увеличивают энтропию, и ограничивает количество полезной работы. Примерные конвективные газовые потоки 120, 130 показаны на фиг. 2. Газ при окружающей температуре 110 протекает в направлении холодного слоя 101 и охлаждается. Охлажденный газ протекает от холодного слоя 101 и вокруг кромки пластины 100 Пельтье в направлении горячего слоя 102. Нагретый газ протекает от горячего слоя 102.

Для упрощения описания могло быть полезно подумать о системе на основе второго закона Ньютона и кинетической теории газов. Вокруг пластины 100 Пельтье на фиг. 1 и 2, если предположить, что температура газа находится между значениями температур слоев 101 и 102, частицы газа, которые сталкиваются со слоем 101, покидают слой 101 с большим импульсом, чем перед столкновением. Аналогично, частицы газа, которые сталкиваются со слоем 102, покидают слой 102 с меньшим импульсом, чем перед столкновением. Поскольку давление газа прямо связано с импульсом частиц газа, газ рядом со слоем 102 имеет большее давление, чем газ рядом со слоем 101. Это смещение давлений толкает всю пластину 100 в направлении y.

В другом варианте осуществления пластина 100 Пельтье может иметь, по меньшей мере, одно сквозное отверстие между слоем 101 и 102. Газ спонтанно протекает от слоя 101 к слою 102 через отверстие, что делает возможным большую скорость нагрева газа. Такой поток газа называется термопросачиванием. Предположим, что газы рядом со слоем 101 имеют температуру T_c и давление P_C, и газ рядом со слоем 102 имеет температуру T_h и давление P_h, термопросачивание приводит к тому, что газ протекает от слоя 101 к слою 102 через отверстие, если удовлетворяется следующее уравнение:

Для того, чтобы улучшить эффективность, полезно понять, где существует классический предел в потоках газа. Конвективные описания потока газа нарушаются приблизительно в масштабе длины, где исчезает число Кнудсена. В результате, в некоторых аспектах средняя длина свободного пробега газа становится полезным параметром при определении предпочтительных геометрий NMSet.

Например, рассмотрим газ при определенном давлении, имеющий среднюю длину свободного пробега 10нм. Если облако такого газа удерживается в двумерной квадратной рамке 20 на 20 нм, как показано на фиг. 3, частица газа, в пределах 10нм перемещения, будет приблизительно, с равной вероятностью столкнется с другой частицей газа, и с такой же вероятностью она столкнется со стенкой рамки. Если стенки рамки будут нагреты, тогда малые рамки быстрее достигнут термодинамического равновесия с газом, находящимся в них, чем более крупные рамки, поскольку частицы газа в малых рамках имеют больше шансов столкнуться и обменяться теплом со стенками. Обычно, когда большинство столкновений в газе происходит между частицами газа и поверхностью, тогда термодинамическое равновесие может быть достигнуто приблизительно в течение среднего времени свободного пробега (время, которое требуется, чтобы частица газа переместилась на среднюю длину свободного пробега).

По этой причине, в некоторых вариантах осуществления характерный масштаб отдельных элементов NMSet и соответствующих устройств может быть наномасштабом, то есть "NM" для NMSet. Однако следует понимать, что способы и устройства, описанные здесь, не ограничены вариантами осуществления в наномасштабе. Параметр средней длины свободного пробега зависит от плотности газа, поэтому в некоторых вариантах осуществления и вариантах использования могут использоваться элементы большего масштаба. Кроме того, как описано здесь, множество NMSet и соответствующих элементов устройства могут быть скомбинированы для предоставления действия над большой поверхностью. Например, NMSet или соответствующие устройства, предпочтительно, могут быть скомпонованы в виде массивов и массивов массивов для предоставления направленного движения газа через большие поверхности, например, как показано на фиг. 16 и 17. NMSet или соответствующие элементы устройства также могут быть скомпонованы в одну или больше ступеней для достижения большей разности давлений, например, как показано на фиг. 18A-18D. Фиг. 18A изображает вид в поперечном сечении массива многоступенчатых NMSet или соответствующих компоновок 1800 устройства. Каждая ступенчатая компоновка 1800 ступени состоит из ступеней 1810, 1820, 1830 в форме концентрических, содержащих полусферы массивов NMSet, или соответствующих устройств 1840, 1850, 1860, как изображено с увеличением на фиг. 8B-18D. Отдельные отверстия 1845, 1855, 1865 NMSet в каждой ступени увеличиваются в размере в соответствии с уменьшением окружающего давления, которое воздействует на каждую последующую ступень при работе.

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ПОВЕРХНОСТЕЙ

Взаимодействие между поверхностями может повлиять на матрицу A преобразования импульсного пространства. Если расположенные рядом поверхности могут легко выполнять обмен фононами через частицы газа, то энтропия на этих поверхностях локально увеличивается с более высокой скоростью, чем у поверхностей, которые не могут легко выполнять обмен фононами через развитие вихрей. Обычно это уменьшит эффективность системы.

Один способ, с помощью которого может быть уменьшен обмен фононами, состоит в ограничении или устранении любых совместно используемых оснований между поверхностями. Например, рассмотрим частицы газа в рамке 300 на фиг. 3. Рамка 300 содержит две планарные горячие стенки 302, параллельные друг другу, и две планарные холодные стенки 301, параллельные друг другу и перпендикулярные стенкам 302. Если рамка 300 сравнима по размерам со средней длиной свободного пробега частиц газа в нем, и стенки 301 и 302 являются идеально зеркально отражающими, газовые частицы могут достичь теплового равновесия с холодными стенками 301 и горячими стенками 302 независимо. Это связано с тем, что только нормали поверхностей стенок совместно используются между двумя холодными стенками 301 или между двумя горячими стенками 302, но не между холодной стенкой 301 и горячей стенкой 302. Следовательно, не может происходить обмен импульсами между горячими стенками 302 и холодными стенками 301 через частицы газа. Это связано с тем, что взаимодействие между частицами газа и холодными стенками 301 влияет только на импульсы в направлении x, но не на импульсы в направлении y; и взаимодействие между частицами газа и горячими стенками 302 влияет только на импульсы в направлении y, но не импульсы в направлении x, учитывая тот факт, что импульсы в направлении x ортогональны импульсам в направлении y. После того, как тепловое равновесие будет достигнуто между частицами газа и стенками, частицы газа движутся быстрее в направлении x, чем в направлении y.

На практике, поверхности обычно не являются идеально зеркально отражающими. Однако свойства зеркально отражающей поверхности существуют очень строго в некоторых материалах таким образом, что существуют углы, для которых могут быть уменьшены конвекционные потоки в углах. Этот эффект обычно наблюдается, когда числа Кнудсена велики, что является предпочтительным условием для NMSet и соответствующих устройств, в частности, в наномасштабных вариантах осуществления. Число (Kn) Кнудсена, названное по имени датского физика Мартина Кнудсена (1871-1949), представляет собой безразмерное число, определенное, как отношение средней длины свободного пробега молекулы к характерной физической шкале длины. В NMSet или соответствующих устройствах, описанных здесь, характерную шкалу физической длины выбирают так, чтобы она составляла порядок величины диаметра апертуры устройства, то есть характерная физическая длина шкалы составляет нанометр, если апертура измеряется в нанометрах, и микрометр, если апертура измеряется в микрометрах. В предпочтительных способах использования устройств, раскрытых здесь, число Кнудсена предпочтительно больше, чем 0,1, или больше, чем 1, или больше, чем 10.

СПОСОБЫ ОПТИМИЗАЦИИ NMSET И СООТВЕТСТВУЮЩИХ УСТРОЙСТВ

МОДЕЛИРОВАНИЕ

Рабочие характеристики NMSet с конкретной геометрией могут быть смоделированы с помощью метода Монте-Карло для оптимизации. В частности, моделирование NMSet или соответствующего устройства с любой заданной структурой начинается с группы частиц газа, со случайными исходными положениями и импульсами вокруг устройства. Положения и импульсы этих частиц через небольшой интервал времени рассчитывают, исходя из исходных положений и импульсов, используя известные физические законы, параметры, такие как температура, давление, химическая идентичность, геометрия устройства, взаимодействия между поверхностями устройства и частицами газа. Моделирование проводят, используя выбранное количество итераций, и результаты моделирования анализируют. Структура устройства может быть оптимизирована, используя результаты моделирования. В предпочтительных вариантах осуществления устройство построено с использованием результатов анализа моделирования.

В предпочтительном варианте осуществления моделирование может быть представлено в следующей таблице:

Алгоритм 1 EVOLVE MODEL (М, P, k)   М 0
P набор параметров поиска
k количество итераций
for i=1 to k do
V экземпляр P
V V возбуждение со стороны М
E MONTE CARLO (V)
Обновить М, используя E
end for  

Модель М возмущения была разработана, используя число (k) итераций. Вначале М инициализируют, как пустой набор, указывающий, что не известно ни одно решение. Затем, начинают цикл, в котором параметры поиска формируют произвольный элемент из определенного пространства P поиска и априорные знания М используются для возмущения P. Конкретный алгоритм использовали для возмущения как деталь воплощения.

Если проводить в среде распределенных вычислений, М в идеале должно быть идентичным для всех узлов, но это не является необходимым из-за, по сути, стохастической природы процесса, этап EVOLVE_MODEL, который фактически проводит моделирование Монте-Карло, является значительно большим по объему вычислений по сравнению с другими и предоставляет много времени для синхронизации М.

Конкретные параметры зависят от среды. Параметры, которые пользователь может устанавливать, включают в себя следующие:

1. Молекулярные схемы в некоторых вариантах осуществления, содержащие до трех атомов, такие как CO₂ или H₂O.

2. Частичные концентрации рассматриваемых молекул.

3. Начальную температуру и давление всего газа.

При стационарном моделировании моделирование Монте-Карло может проводиться с периодическими ограничениями на всех осях. На оси y, однако, частицы, в которых возникают периодические ограничения, являются стохастически термостатированными в соответствии с установками температуры и давления для имитации окружающих условий. На оси x скорости частиц являются не модифицированными для моделирования периодической совокупности идентичных совокупностей устройств вдоль этого направления. Моделирование может проводиться в двух измерениях для уменьшения сложности вычислений при моделировании. Трехмерное моделирование привело бы к получению аналогичных результатов в случае, когда моделируемое устройство имеет цилиндрическую симметрию. Следует отметить, что, в общем, средство моделирования необязательно должно использовать периодичность, как обозначено здесь, и может не указывать какие-либо границы вообще; они определены только для удобства вычислений.

В предпочтительных вариантах воплощения потенциальные структуры устройства могут быть оценены с учетом условий, при которых такое устройство будет использоваться, и известных свойств отражения поверхности материала, из которого оно будет построено. Параметры геометрии могут быть оптимизированы посредством результатов анализа моделирования прежде, чем геометрия будет фактически использоваться при производстве NMSet и соответствующих устройств.

ПРИМЕРНЫЕ ГЕОМЕТРИИ

Четыре варианта осуществления с разными геометриями, в частности, описаны ниже. Эти четыре структуры будут называться прямая, параболическая, треугольная и пилообразная. Следует отметить, что геометрии NMSet и соответствующих устройств, описанных здесь, могут существенно изменяться и эти примеры следует принимать только как иллюстрацию с целью описания влияния определенных проектных решений на эффективность системы.

ПРЯМАЯ

Фиг. 19 показывает вариант осуществления NMSet или соответствующего устройства 1900 с прямой геометрией. В этом варианте осуществления устройство 1900 содержит горячий слой 1902 и холодный слой 1901. Термины "горячий слой" и "холодный слой" означают, что эти слои имеют разность температур между ними, а не то, что "горячий слой" обязательно является более горячим, или "холодный слой" необязательно является более холодным, чем газ, в который погружено NMSet или соответствующее устройство. По меньшей мере, одно прямое сквозное отверстие 1910 выполнено через все слои устройства 1900 и предпочтительно имеет одинаковую форму поперечного сечения и размеры в каждом слое. Прямая через сквозное отверстие 1910 может иметь любую форму поперечного сечения, такую как форму круга, прорези и гребенки.

Предпочтительно общая длина 1910L (то есть расстояние от одного входа до другого входа) прямого сквозного отверстия 1910 превышает до 10 раз, до 5 раз или до 2 раз среднюю длину свободного пробега газа, в который погружено устройство 1900. Средняя длина свободного пробега воздуха при нормальном атмосферном давлении составляет приблизительно 55 нм. На большей высоте средняя длина свободного пробега воздуха увеличивается. Для применения в атмосферных условиях общая длина 1910L предпочтительно должна быть не больше, чем 1500 нм. Разность температур между горячим слоем 1902 и холодным слоем 1901 предпочтительно составляет, по меньшей мере 30°C, более предпочтительно, по меньшей мере 50°C, и наиболее предпочтительно, по меньшей мере 100°C.

Горячий слой 1902 и холодный слой 1901 могут быть разделены зазором между ними для теплоизоляции. Зазор предпочтительно представляет собой вакуумный зазор и/или содержит теплоизолятор. В одних примерах зазор содержит множество тонких стержней, изготовленных из хорошего теплоизолятора, такого как двуокись кремния.

Устройство 1900 предпочтительно имеет, по меньшей мере, 10 прямых сквозных отверстий на квадратный сантиметр. Общая длина периметра всех прямых сквозных отверстий устройства 1900 на квадратный сантиметр предпочтительно составляет, по меньшей мере два сантиметра.

ПАРАБОЛИЧЕСКАЯ

Фиг. 7 показывает вариант осуществления NMSet или соответствующего устройства 700 с параболической геометрией. В этом варианте осуществления чередующиеся горячие слои 702 и холодные слои 701 уложены в стопку. На иллюстрации каждый горячий слой 702 и холодный слой 701 имеет прямое сквозное отверстие. Все отверстия выровнены. Отверстие в каждом горячем слое 702 имеет такой же размер, как отверстие в холодном слое 701, расположенном непосредственно над ним, и меньше, чем отверстие в холодном слое 701, которое расположено непосредственно ниже. Каждый холодный слой 701 является более холодным, чем его непосредственные соседние горячие слои 702, и каждый горячий слой 702 более горячим, чем его непосредственные соседние холодные слои 701. Поверхность 702a каждого горячего слоя 702, который имеет поверхность, перпендикулярную в направлении -y, является открытой. Все отверстия совместно образуют сопло с контуром параболической поверхности. Такая геометрия сводит к минимуму совместно используемые основания между горячими и холодными слоями. Однако, поскольку NMSet или соответствующее устройство необязательно повышает энергию газа, увеличение диаметра отверстия приводит к падению давления газа. Это может формировать сильные вихри рядом с нижним отверстием, что снижает общую эффективность. NMSet с параболической геометрией может быть адиабатическим или изобарическим, но неодновременно. Аппроксимация потока газа в NMSet или в соответствующем устройстве с использованием параболической геометрии показана на фиг. 8. Пространство импульсов газа искажено таким образом, что величина математического ожидания импульса направлена в направлении -y.

Хотя параболическая структура является эффективной в NMSet или в соответствующем устройстве, падение давления газа накладывает верхнее ограничение на размер нижнего отверстия. Обычно в любом адиабатическом устройстве, в котором газ перемещается, подвергаясь изменению в объеме, происходит снижение эффективности.

Если разность температур в устройстве с параболической геометрией будет установлена с помощью неадиабатического средства (то есть устройство повышает общую температуру газа), тогда NMSet с параболической геометрией может не снижать эффективность из-за газа, подвергаемого изменению в объема, если только количество тепла, добавляемого к газу, будет достаточным для предотвращения формирования вихрей. Однако, такое устройство снижает свою эффективность из-за более высокой общей энтропии, то есть собственные векторы импульсного пространства газа находятся не так далеко друг от друга, если газ должен расширяться, но подача тепла на малых масштабах обычно проще, чем его отвод.

ТРЕУГОЛЬНАЯ

Треугольная геометрия, подробно показанная на фиг. 9, представляет собой частичную оптимизацию параболической структуры для адиабатических потоков. В этом случае газу не разрешается испытывать существенное расширение, которое инициирует широкомасштабное формирование вихрей. Кроме того, поскольку отверстия не изменяются по размеру, треугольная компоновка, такая как эта, может быть легко уложена в стопку.

Импульсное пространство такой треугольной структуры более эффективно смещено, как изображено на фиг. 10. Как и в параболической компоновке, открытые горячие и холодные поверхности встречаются под углом 90 градусов, однако, источник неэффективности возникает, когда частицы переносят тепло вперед и назад между поверхностями через центральный зазор.

На фиг. 9 показана стопка 900 NMSet или соответствующего устройства с треугольной структурой. Каждое устройство в стопке 900 содержит горячий слой 902 и холодный слой 901 равной толщины. Разность температур между холодным и горячим слоями 901 и 902 может быть установлена с помощью любого соответствующего средства, такого как эффект Пельтье. Каждое устройство имеет сквозное отверстие 903. Каждое сквозное отверстие 903 имеет канавку (9031 и 9032), расположенную под углом 45°, на каждом входе. Ширина выемок 9031 и 9032 составляет от 1,40 до 1,42 раза толщины холодного и горячего слоев 901 и 902. Сквозные отверстия 903 во всех слоях в стопке 900 выровнены. В общем, температуры горячих слоев 902 в устройстве в стопке 900 не увеличиваются монотонно с одной стороны стопки до другой стороны. Обычно температуры холодных слоев 901 в устройстве в стопке 900 не уменьшаются монотонно с одной стороны стопки до другой стороны. Предпочтительно каждый холодный слой 901 является более холодным, чем его непосредственно соседние горячие слои 902, и каждый горячий слой 902 является более горячим, чем его непосредственно соседние холодные слои 901.

ПИЛООБРАЗНАЯ

Фиг. 11 показывает стопку 1100 NMSet или соответствующего устройства, которая имеет пилообразную геометрию. Каждое устройство в стопке 1100 содержит горячий слой 1102 с толщиной t_h и холодный слой 1101 с толщиной t_c. Разность температур между холодным и горячим слоями 1101 и 1102 может быть установлена с помощью любого подходящего средства, такого эффект Пельтье. Каждое устройство имеет сквозное отверстие 1103. В изображенном устройстве каждое сквозное отверстие 1103 имеет канавку 11031 на входе, на стороне холодного слоя 1101, и канавку 11032 на входе, на стороне горячего слоя 11032. Угол между канавкой 11031 и центральной осью сквозного отверстия 1103 равен θ₁; угол между канавкой 11032 и центральной осью сквозного отверстия 1103 равен θ₂. Сумма θ₁ и θ₂ предпочтительно составляет от 85° до 95°, более предпочтительно от 88° до 92°. Отношение t_c к t_h, по существу, равно отношению котангенса θ₁ к котангенсу θ₂. θ_2, предпочтительно составляет от 70° до 85°.

Взаимосвязь углов выемок, описанная здесь, представляет собой предпочтительные ограничения, а не жесткие границы. Обычно для материалов, которые проявляют идеально зеркальные свойства молекулярного отражения, взаимосвязи углов выемок могут быть несколько ослаблены. Для материалов, которые проявляют менее, чем идеальные свойства зеркального молекулярного отражения, взаимосвязи должны быть более строгими. Структура выемок предпочтительно выполнена таким образом, чтобы минимизировать совместно используемые основания. Нормали к поверхностям зеркально отражающих поверхностей выемок, таким образом, предпочтительно могут быть ортогональными. Отклонения от ортогональности могут отрицательно сказываться на эффективности, как функция косинуса. По инженерным причинам горячие и холодные поверхности пилообразной компоновки могут не сходится в одной конечной точке.

В изображенном устройстве сквозные отверстия 1103 во всех слоях стопки 1100 выровнены друг с другом. Температуры горячих слоев 1102 в каждом устройстве стопки 1100 не повышаются монотонно с одной стороны стопки к другой стороне. Температуры холодных слоев 1101 в каждом устройстве в стопке 1100 не понижаются монотонно от одной стороны стопки 1100 до другой стороны. Каждый холодный слой 1101 холоднее, чем его непосредственные соседние горячие слои 1102, и каждый горячий слой 1102 горячее, чем его непосредственно соседние холодные слои 1101.

Пилообразная геометрия, показанная на фиг. 11, предлагает улучшение по сравнению с треугольной геометрией, состоящее в том, что все горячие слои 1102 предпочтительно ориентированы приблизительно в одном и том же направлении (то есть, θ₂ предпочтительно равен 90°). Это уменьшает непосредственное взаимодействие между горячим и холодным слоями 1102 и 1101 через сквозное отверстие 1103 и улучшает общую эффективность.

Кроме того, поскольку горячие слои 1102 имеют меньшую площадь открытой поверхности, чем холодные слои 1101, и поскольку холодные слои 1101 предпочтительно ориентированы под более мелким углом относительно центральной оси сквозного отверстия 1103, чем в треугольной структуре, пилообразная структура позволяет уменьшить энтропию в газе (и, таким образом, обеспечить то, что он будет выполнять большую работу) более эффективно, чем в треугольной структуре. Импульсное пространство такой пилообразной структуры является более эффективно смещенным, чем импульсное пространство треугольной структуры, показанной на фиг. 12.

В треугольной конфигурации срезы устройства на противоположных сторонах поперечного сечения имеют величину 1/√2 по оси y, поскольку их разделяет угол 90 градусов. Это ограничивает эффективность уменьшения энтропии, поскольку некоторая часть энтропии становится нейтрализованной при непосредственном взаимодействии между поверхностями.

Однако, в пилообразной конфигурации, горячие слои 1102 не только не используют совместную основу с соседними холодными слоями 1101, но также и совместно используют очень малую основу с горячими и холодными слоями по всему отверстию 1103. Такое комбинированное свойство позволяет сделать пилообразную структуру более эффективной, чем треугольная структура.

После подачи питания NMSet или соответствующего устройства (то есть, когда будет установлена разность температур), частицы газа, отскакивающие от холодных слоев, имеют более низкую результирующую скорость, в то время как частицы газа, отскакивающие от горячих слоев, имеют более высокую результирующую скорость. Фиг. 4 показывает результирующие силы, которые воздействуют на стопку 1100 (пилообразная структура). В стабильном состоянии формируется вакуум на входном отверстии (верхнее отверстие на фиг. 4), который, в свою очередь, формирует соответствующую область с низким давлением над стопкой 1100, и область с высоким давлением ниже стопки 1100. Скорости частиц газа в стопке 1100, получаемые в результате распределения давления газа, показаны на фиг. 5.

СРЕДСТВО УСТАНОВЛЕНИЯ РАЗНОСТИ ТЕМПЕРАТУР

ВНУТРЕННЕЕ УСТРОЙСТВО ПЕЛЬТЬЕ

В соответствии с одним вариантом осуществления каждый элемент в геометрии устройства действует как устройство направления частиц, так и как устройство, уменьшающее энтропию. В устройстве Пельтье горячие и холодные пластины изготовлены из материалов с разными коэффициентами Пельтье. При этом обеспечивается протекание электрического тока между холодными и горячими пластинами. Этот поток переносит тепло Пельтье, устанавливая разность температур, необходимую для работы устройства. В некоторых вариантах осуществления пьезоэлектрические разделители могут быть расположены между элементами устройства, для поддержания зазоров разделения между ними.

Поперечное сечение NMSet или соответствующего устройства в соответствии с вариантом осуществления с внутренней компоновкой Пельтье детально показано на фиг. 13 и 14. Все горячие слои 1302 соединены. Все холодные слои 1301 соединены. Электрический ток протекает через устройство Пельтье, расположенное между холодным и горячим слоями, для установления разности температур. Чем более тонкими выполнены слои, тем больший требуется электрический ток.

NMSet или соответствующее устройство с внутренней компоновкой Пельтье может упростить уменьшение размера устройства. Одна стопка, такая как показана на фиг. 14, может быть полностью функциональной для формирования тяги. NMSet или соответствующее устройство с внутренней компоновкой Пельтье подходят для использования в микроэлектромеханических системах, в которых выражена наибольшая степень гранулярности.

УСИЛЕННАЯ ПОЛЕМ ТЕРМОЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ

В другом варианте осуществления разность температур может быть сформирована с помощью усиленной полем термоэлектронной эмиссии. Как показано на фиг. 19, электрическое поле может быть установлено между слоями 1901 и 1902 таким образом, что носители заряда, излучаемые под действием тепла из холодного слоя 1901, переносят тепло от холодного слоя 1901 к горячему слою 1902.

ВНЕШНЕЕ УСТРОЙСТВО ПЕЛЬТЬЕ

В другом варианте осуществления разность температур может быть сформирована с помощью устройства Пельтье, которое выполнено внешним относительно NMSet или соответствующего устройства. Это устройство Пельтье (не показано) соединено с передачей тепла с NMSet или соответствующей стопкой 1500 устройства через промежуточные разделительные слои 1510 и 1520, как подробно показано на фиг. 15 и 16.

Устройство с внешним устройством Пельтье обладает преимуществом, состоящим в разделении материалов, используемых для формирования потока текучей среды, от материалов, используемых для формирования разности температур. С инженерной точки зрения это может быть предпочтительным, поскольку материалы, подходящие для устройства Пельтье, могут не быть пригодными для изготовления микроструктур или наоборот. Кроме того, внешнее устройство Пельтье может быть выполнено более крупным и более эффективным, и при этом не требующим больших токов для установления достаточной разности температур.

Пьезоэлектрические разделители могут использоваться между слоями. Материалы, пригодные для использования в NMSet предпочтительно выполнены достаточно прочными для механического противостояния тепловому расширению и сжатию и/или предпочтительно имеют очень малые коэффициенты расширения. И, наоборот, отверстия в слоях могут быть несовмещенными, что может привести к снижению эффективности.

ВНЕШНЕЕ УСТРОЙСТВО, НЕ ЯВЛЯЮЩЕЕСЯ УСТРОЙСТВОМ ПЕЛЬТЬЕ

В соответствии с еще одним, другим вариантом осуществления разность температур устанавливается с помощью любого соответствующего источника тепла и/или теплоотводов. Например, источники тепла могут быть резистивными нагревателями, химической реакцией, горением и/или непосредственным освещением ярким светом. Иллюстрация такого варианта осуществления показана на фиг. 17. В показанном примере поверхность 1702 нагрева может представлять собой резистивный нагревательный материал или материал, который может эффективно принимать излучаемое нагревание. Внешняя компоновка, не являющаяся устройством Пельтье, является удобной, поскольку она не требует использование устройства Пельтье. В некоторых вариантах осуществления может быть удобно направлять поверхность нагрева в направлении источника излучения, такого, как солнце, вместо того, чтобы вначале преобразовать излучение в электричество и осуществлять питание устройства Пельтье. В качестве альтернативы источник излучения может быть направлен на поверхность поглощения тепла, которая сообщается с передачей тепла с горячим слоем NMSet или соответствующего устройства. Однако, в компоновке с внешним размещением устройства, не являющейся устройством Пельтье, необходимо тщательно следить, чтобы NMSet или соответствующее устройство не перегревалось.

Капилляры 1750, изображенные на фиг. 17, предоставляют примерный механизм, с помощью которого может быть обеспечен отвод тепла; однако, также возможно упростить теплоотвод, используя последовательность ребер или любых других соответствующих теплоотводов. В качестве альтернативы внешнее размещение устройства, не являющегося устройством Пельтье, показанное на фиг. 17, может быть выполнено с возможностью предоставлять источник тепла через капилляры 1750. Источник тепла может представлять экзотермическую химическую реакцию, предпочтительно такую, которая не формирует слишком большое давление.

МАТЕРИАЛЫ

NMSet и соответствующее устройства могут быть построены из широкого диапазона материалов. В различных аспектах свойства материалов можно использовать в комбинации с желаемыми геометриями.

Зеркальное отражение молекул газа представляет собой предпочтительное свойство материалов, которые образуют открытые для газа поверхности NMSet или соответствующего устройства, например, горячие и холодные поверхности, которые находятся в контакте с протекающим газом. Зеркальное отражение представляет собой отражение света, аналогичное зеркалу, или, в данном случае частиц газа, от поверхности. На зеркальной поверхности поступающие частицы газа под одним углом падения отражаются от поверхности под одним углом отражения. Если поступающие частицы газа и поверхности имеют одинаковую температуру, угол падения и угол отражения относительно нормали поверхности являются одинаковыми. Таким образом, угол падения равен углу отражения. Вторая определяющая характеристика зеркального отражения состоит в том, что падающие, нормальные и отраженные направления являются копланарными. Если падающие частицы газа и поверхность имеют не одинаковую температуру, и отражение является неадиабатическим (то есть с теплообменом между частицами газа и поверхностью), угол отражения представляет собой функцию тепла, переданного между поверхностью и частицами газа.

Степень зеркальности материала может быть представлена ядром отражения (таким, как ядро Черчиньяни - Ламписа, Cercignani-Lampis kernel), которое определено как функция плотности вероятности отраженного состояния частиц газа на единицу объема фазного пространства. Детали ядра отражения раскрыты в "Numerical Analysis of Gas-Surface Scattering Effect on Thermal Transpiration in the Free Molecular Regime", Vacuum, Vol. 82, Page 20-29, 2009 и в представленных здесь ссылочных документах, все из которых представлены здесь по ссылке.

Отдельные горячие и холодные слои также могут быть построены из одного или больше конструктивных элементов, которые могут содержать конструктивные материалы, например, средство обеспечения жесткости, теплопроводные материалы, например, средство для теплообмена в и от средства формирования разности температур, и материал атомарного отражения, например, средство для предоставления желаемых свойств ядра отражения. В некоторых вариантах осуществления индивидуальные горячие и холодные слои могут быть построены из слоистых композитов из таких материалов.

Таким образом, выбор материалов и их состав изменяются в широких пределах. В некоторых вариантах осуществления материалы, пригодные для построения NMSet или соответствующего устройства могут включать в себя титан, кремний, сталь и/или железо. Титан имеет малый вес и обладает шестиугольной кристаллической структурой. Границы перехода из титана могут быть сформированы под ортогональными углами без нарушения кристаллической структуры и, поэтому, не имеют ограничений по механическим напряжениям. Стоимость материалов из титана является высокой. Кремний является недорогим и имеет хорошо понятые свойства и процессы для обработки. Кристаллическая структура кремния представляет собой кубическую структуру типа алмаза. Сталь является более дешевой, чем титан, обладает кубической кристаллической структурой, является в высокой степени устойчивой к проникновению газов. Железо является более дешевым, чем сталь и имеет кристаллическую форму, которая делает его подходящим для применения в NMSet и соответствующих устройствах.

ПРИМЕРНЫЕ СПОСОБЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ NMSET ИЛИ СООТВЕТСТВУЮЩИХ УСТРОЙСТВ

В соответствии с одним вариантом осуществления, как показано на фиг. 20, способ изготовления NMSet или соответствующего устройства содержит этапы, на которых: (a) предоставляют подходящую подложку 2001, такую как аморфный кремний, кристаллический кремний, керамика и т.д., подложка предпочтительно имеет толщину 500-1500 микрон; (b) наносят первый слой 2002, такой как двуокись кремния, причем первый слой 2002 предпочтительно имеет толщину от 200 нм до 50 микрон; (c) формируют дискретные острова любой соответствующей формы, такой как полоски, квадраты, круги от первого слоя 2002 с помощью фотолитографии и вытравливания первого слоя 2002; (d) наносят второй слой 2003 по дискретным островам, причем второй слой 2003 является электрическим проводником, таким как Al, Nb или Zn; (e) наносят третий слой 2004 на второй слой 2003, причем третий слой 2004 представляет собой электрический изолятор, такой как двуокись кремния; (f) частично удаляют третий слой 2004 до тех пор, пока не откроется первый слой 2002; (g) наносят четвертый слой 2005, причем четвертый слой 2005 представляет собой электрический изолятор, такой как двуокись кремния, четвертый слой 2005 предпочтительно имеет толщину 3-15 нм; (h) наносят пятый слой 2006, причем пятый слой представляет собой электрический проводник, такой как Pt, Ni или Cu, и предпочтительно имеет толщину 50-200 нм; (i) наносят шестой слой 2007, такой как двуокись кремния, причем шестой слой 2007 предпочтительно имеет толщину 500-1500 микрон; (j) формируют сквозные отверстия 2001a в подложке 2001 с помощью фотолитографии и вытравливания подложки 2001, таким образом, что, по меньшей мере, один дискретный остров первого слоя 2002 будет открыт в нем, сквозные отверстия 2001a имеют любую соответствующую форму, такую как шестиугольники, квадраты и круги, причем сквозные отверстия 2001 компонуют с любой подходящей формой, такой как шестиугольная решетка, квадратная решетка и полярная решетка; (k) удаляют открытые отдельные острова путем вытравливания до тех пор, пока участки четвертого слоя 2005, расположенные над ними, не будут открыты; (I) удаляют открытый участок четвертого слоя 2005 путем вытравливания до тех пор, пока участки пятого слоя 2006, расположенные над ними, не будут открыты; (m) удаляют открытые участки пятого слоя 2006 путем вытравливания; (n) частично удаляют четвертый слой 2005 путем поперечного вытравливания, таким образом, что второй слой 2003 и пятый слой 2006 нависают над четвертым слоем 2005; (o) полностью удаляют шестой слой 2007 путем вытравливания. Второй слой 2003 и пятый слой 2006 предпочтительно имеют разницу, по меньшей мере, 1 эВ, по меньшей мере, 2 эВ или, по меньшей мере, 3 эВ при выполнении их рабочих функций.

В соответствии с другим вариантом осуществления, как показано на фиг. 21, способ изготовления NMSet или соответствующего устройства содержит этапы, на которых: (a) предоставляют подходящую подложку 2101, такую как аморфный кремний, кристаллический кремний, керамика и т.д., причем подложка предпочтительно имеет толщину 500-1500 микрон; (b) осаждают первый слой 2102, такой как двуокись кремния, причем первый слой 2102 предпочтительно имеет толщину от 50 нм до 1000 нм; (c) наносят второй слой 2103 поверх первого слоя 2102, причем второй слой 2103 представляет собой электрический проводник, такой как Al, Nb или Zn, и предпочтительно имеет толщину 50-150 нм; (d) наносят третий слой 2104 поверх второго слоя 2103, причем третий слой 2104 представляет собой электрический изолятор, такой как двуокись кремния, и предпочтительно имеет толщину 50-100 нм; (e) наносят четвертый слой 2105 поверх третьего слоя 2104, причем четвертый слой 2105 представляет собой электрический проводник, такой как Pt, Ni или Cu, и предпочтительно имеет толщину 50-150 нм; (f) образуют отверстия через второй слой 2103, третий слой 2104 и четвертый слой 2105 с помощью фотолитографии и вытравливания, причем отверстия имеют любую подходящую форму, такую как полосы, квадраты, круги; (g) частично удаляют третий слой 2104 путем поперечного вытравливания таким образом, что второй слой 2103 и четвертый слой 2105 нависают над третьим слоем 2104; (h) образуют сквозные отверстия 2101a в подложке 2101 с помощью фотолитографии и вытравливания подложки 2101, таким образом, что, по меньшей мере, одно отверстие через второй слой 2103, третий слой 2104 и четвертый слой 2105 накладываются на одно сквозное отверстие 2101a, причем сквозные отверстия 2101a имеют любую подходящую форму, такую как шестиугольники, квадраты и круги, причем сквозные отверстия 2101 скомпонованы в любой подходящей структуре, такой как шестиугольная решетка, квадратная решетка и полярная решетка; (i) удаляют участки первого слоя 2102, открытые в сквозных отверстиях 2101a. Второй слой 2103 и четвертый слой 2105 предпочтительно имеют разность, по меньшей мере 1 эВ, по меньшей мере 2 эВ, или, по меньшей мере 3 эВ, при выполнении их рабочих функций.

В то время как NMSet и соответствующее устройство были подробно описаны со ссылкой на их конкретные варианты осуществления, для специалиста в данной области техники будет понятно, что различные изменения и модификации могут быть выполнены, и их эквиваленты могут применяться без выхода за пределы объема приложенной формулы изобретения.

Изобретение относится к способам и устройствам, которые вызывают движение текучей среды. Устройство, выполненное с возможностью приводить в движение газ, содержащее: по меньшей мере, первый слой и второй слой, скомпонованные в стопку, и средство для нагрева и/или охлаждения первого и второго слоев для образования горячего слоя и холодного слоя, в котором холодный слой имеет более низкую температуру, чем горячий слой; и по меньшей мере, одно сквозное отверстие в стопке, в котором: поверхность каждого горячего слоя открыта внутрь сквозного отверстия; и поверхность каждого холодного слоя открыта внутрь сквозного отверстия; и в котором: общая длина сквозного отверстия составляет до 10-ти средних длин свободного пробега газа, в которое погружено устройство, и/или не больше, чем 1500 нм. Техническим результатом изобретения является энергетически эффективное создание разности давления газа с регулируемой скоростью потока. 4 н. и 17 з.п. ф-лы, 21 ил., 1 табл.

1. Устройство, выполненное с возможностью приводить в движение газ, содержащее:
по меньшей мере, первый слой и второй слой, скомпонованные в стопку, и средство для нагрева и/или охлаждения первого и второго слоев для образования горячего слоя и холодного слоя, в котором холодный слой имеет более низкую температуру, чем горячий слой; и
по меньшей мере, одно сквозное отверстие в стопке, в котором:
поверхность каждого горячего слоя открыта внутрь сквозного отверстия; и
поверхность каждого холодного слоя открыта внутрь сквозного отверстия;
и в котором:
общая длина сквозного отверстия составляет до 10-ти средних длин свободного пробега газа, в которое погружено устройство, и/или не больше, чем 1500 нм.

2. Устройство по п.1, в котором средство для нагревания и охлаждения первого и второго слоев представляет собой устройство Пельтье или устройство усиленной полем термоэлектронной эмиссии.

3. Устройство по п.2, в котором устройство Пельтье или устройство усиленной полем термоэлектронной эмиссии вставлены между первым и вторым слоями.

4. Устройство по п.1, в котором горячий слой нагревают посредством одного или более резистивных нагревателей, химической реакции и/или излучения.

5. Устройство по п.1, в котором сквозное отверстие имеет площадь поперечного сечения, постепенно увеличивающуюся от верхней грани до нижней грани стопки; открытая поверхность каждого холодного слоя во внутренней части сквозного отверстия, по существу, параллельна центральной оси сквозного отверстия; открытая поверхность каждого горячего слоя во внутренней части сквозного отверстия, по существу, перпендикулярна центральной оси сквозного отверстия.

6. Устройство по п.1, в котором каждый горячий слой имеет канавку, обращенную внутрь и в первом направлении, причем угол между канавкой каждого горячего слоя и центральной осью сквозного отверстия составляет θ₂;
каждый холодный слой имеет канавку, обращенную внутрь и во втором направлении, противоположном первому направлению, причем угол между канавкой каждого холодного слоя и центральной осью сквозного отверстия составляет θ₁; и сумма θ₁ и θ₂ составляет от 85° до 95°.

7. Устройство по п.6, в котором θ₂ составляет от 70 до 85°.

8. Устройство по п.6, в котором каждый горячий слой имеет толщину t_h, каждый холодный слой имеет толщину t_c; и отношение t_h к t_c, по существу, равно отношению котангенса θ₂ к котангенсу θ₁.

9. Устройство по п.8, в котором t_c больше, чем t_h.

10. Устройство по п.1, в котором зазор вставлен между горячим и холодным слоями.

11. Устройство по п.10, в котором зазор содержит элементы прокладки.

12. Устройство по п.11, в котором элементы прокладки содержат пьезоэлектрический материал.

13. Устройство по п.1, в котором сквозное отверстие имеет одинаковый размер вдоль всей его длины.

14. Устройство по п.13, в котором сквозное отверстие имеет в поперечном сечении форму круга, прорези или гребенки.

15. Устройство по п.13, в котором устройство имеет, по меньшей мере, 10 сквозных отверстий на квадратный сантиметр, и/или полная длина периметра всех сквозных отверстий устройства на квадратный сантиметр составляет, по меньшей мере, два сантиметра.

16. Устройство, содержащее последовательность устройств по п.1, в котором, последовательность скомпонована таким образом, что, горячие слои и холодные слои образуют чередующуюся стопку горячих и холодных слоев, каждый горячий слой является более горячим, чем непосредственно прилегающие холодные слои, каждый холодный слой является более холодным, чем непосредственно прилегающие горячие слои, и, по меньшей мере, одно сквозное отверстие выровнено через стопку.

17. Устройство по п.16, в котором диаметр сквозного отверстия каждого элемента последовательности постепенно отличается от верхней грани к нижней грани стопки.

18. Способ использования устройства по п.1, содержащий этапы, на которых располагают устройство в газе при температуре и давлении окружающей среды и приводят в действие средство нагревания и/или охлаждения чередующихся слоев для образования чередующихся горячих и холодных слоев так, что газ приводиться в движение через сквозное отверстие.

19. Способ по п.18, в котором каждый горячий слой является более горячим, чем температура окружающей среды газа, и каждый холодный слой является более холодным, чем температура окружающей среды газа.

20. Способ по п.18, в котором средняя температура всех горячих и холодных слоев является по существу такой же, как и температура окружающей среды газа.

21. Способ изготовления устройства по п.1, содержащий этапы, на которых:
выполняют моделирование устройства по п.1, имеющего конкретную выбранную начальную геометрическую компоновку сквозного отверстия и слоев, причем моделирование содержит этапы, на которых: инициируют группу моделируемых частиц газа со случайными начальными положениями и импульсами, вокруг моделируемого устройства, рассчитывают положения и импульсы этих частиц через небольшой интервал времени из начальных положений и импульсов, используя известные законы физики, повторяют расчет посредством выбранного числа итераций и анализируют положения и импульсы частиц газа путем моделирования,
изменяют геометрическую компоновку устройства в пределах определенного пространства поиска и выполняют другое моделирование посредством выбранного числа итераций,
идентифицируют геометрическую компоновку, обеспечивающую более эффективное приведение в движение частиц газа через смоделированное устройство, чем начальная геометрия;
изготовляют устройство, имеющее идентифицированную геометрическую компоновку.