УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ТЕПЛО- И ЭНЕРГООБМЕНА Российский патент 2015 года по МПК F28D15/00 

Настоящая заявка претендует на приоритет согласно предварительной заявке на изобретение США №61/347446, поданной 23 мая 2010 г., содержание которой включено здесь в качестве ссылки. Настоящая заявка связана с находящейся одновременно на рассмотрении заявкой США №12/585981, поданной 30 сентября 2009 г., содержание которой включено здесь в качестве ссылки, и которая сама претендует на приоритет по предварительной заявке США №61/101227, поданной 30 сентября 2008 г.

Область техники, к которой относится изобретение

Материалы, компоненты и способы согласно настоящему изобретению направлены на изготовление и использование микромасштабных каналов с текучей средой, причем микромасштабные каналы расположены в соответствии с определенными макроскопическими конфигурациями так, чтобы по меньшей мере частично регулировать температуру и поток текучей среды.

Уровень техники

Объем текучей среды, такой как воздух, можно охарактеризовать температурой и давлением. При рассмотрении совокупности составляющих частиц, содержащих, например, молекулы кислорода и азота, объем текучей среды при данной температуре можно, кроме того, охарактеризовать как распределение скоростей составляющих частиц. Такое распределение можно охарактеризовать, главным образом, средней скоростью, которая, как понятно, связана с температурой текучей среды (например, газа).

Соответственно, внутренняя тепловая энергия текучей среды может служить источником энергии для применения, связанного с нагреванием, охлаждением и созданием потока текучей среды.

Раскрытие изобретения

В одном аспекте варианты воплощения изобретения могут предусматривать систему, которая использует один или более микромасштабных каналов («микроканал»), скомпонованных так, чтобы вмещать поток текучей среды, причем стенки микроканала и составляющие частицы в текучей среде подобраны так, чтобы столкновения между составляющими частицами и стенками микроканала являлись, главным образом, зеркальными. Кроме того, микроканал может быть упорядочен в макроскопической конфигурации для обеспечения по меньшей мере одной стенки, с по меньшей мере первой частью стенки, которая по меньшей мере приблизительно плоская, второй частью стенки, которая по меньшей мере приблизительно плоская, третьей частью стенки, которая приблизительно плоская, первой промежуточной частью стенки и второй промежуточной частью стенки, причем граница первой части стенки является смежной с первой границей первой промежуточной части стенки, первая граница второй части стенки является смежной со второй границей первой промежуточной части стенки, вторая граница второй части стенки является смежной с первой границей второй промежуточной части стенки, и граница третьей части стенки является смежной со второй границей второй промежуточной части стенки, так что первая часть стенки, первая промежуточная часть стенки, вторая часть стенки, вторая промежуточная часть стенки и третья часть стенки образуют смежную стенку части микроканала. Кроме того, варианты воплощения изобретения могут предусматривать, что первый перпендикуляр к приблизительной плоскости, определенной первой частью стенки, не параллелен второму перпендикуляру к приблизительной плоскости, определенной второй частью стенки, а также не параллелен третьему перпендикуляру к приблизительной плоскости, определенной третьей частью стенки, причем второй перпендикуляр также не параллелен третьему перпендикуляру. Кроме того, варианты воплощения изобретения могут предусматривать, что угловое смещение между первым перпендикуляром и вторым перпендикуляром составляет меньше чем 90 градусов, и примерно равно угловому смещению между вторым перпендикуляром и третьим перпендикуляром. Там, где интервал между первой частью стенки и второй частью стенки по меньшей мере N раз кратен наибольшей ширине микроканала в этом интервале (где N может быть целым числом), угловое смещение между первым перпендикуляром и вторым перпендикуляром может быть меньше чем N/10 градусов. Аналогично, там, где интервал между второй частью стенки и третьей частью стенки по меньшей мере N раз кратен наибольшей ширине микроканала в этом интервале, угловое смещение между вторым перпендикуляром и третьим перпендикуляром может быть меньше чем N/10 градусов. Только для примера, там, где интервал между первой частью стенки и второй частью стенки (и интервал между второй частью стенки и третьей частью стенки), по меньшей мере, двадцатипятикратен наибольшей ширине микроканала в этом интервале, угловое смещение между первым перпендикуляром и вторым перпендикуляром (и вторым перпендикуляром и третьим перпендикуляром) может быть меньше чем 2,5 градуса. Аналогично, только для примера, там, где интервал между первой частью стенки и второй частью стенки по меньшей мере пятидесятикратен наибольшей ширине микроканала в этом интервале, угловое смещение между первым перпендикуляром и вторым перпендикуляром может быть меньше чем 5 градусов.

В другом аспекте варианты воплощения изобретения могут предусматривать управление потоком и температурой объема текучей среды, причем текучая среда может содержать молекулы и может предусматривать распределение молекулярных колебательных уровней путем усиления нагрева объема текучей среды. Поскольку таким колебательно-возбужденным молекулам позволено вернуться в состояние равновесия, варианты воплощения изобретения могут, таким образом, предусматривать создание электромагнитного излучения и управление им.

В следующем аспекте варианты воплощения изобретения могут предусматривать управление потоком и температурой объема жидкости, и могут предусматривать практическое применение, начиная с нагрева и охлаждения, замораживания, производства электроэнергии, когерентного и некогерентного светового излучения, перекачки газа, производства плазмы и пучка частиц, ускорения пучка частиц, химических процессов и прочего.

Дополнительные цели и преимущества изобретения будут изложены частично в последующем описании, и частично будут очевидны из описания, или могут быть изучены при практическом применении вариантов воплощения изобретения в соответствии с описанием. Цели и преимущества могут быть выполнены и достигнуты с помощью элементов и комбинаций, конкретно указанных в прилагаемой формуле изобретения.

Понятно, что предыдущее общее описание и последующее подробное описание являются примерными и пояснительными, и не ограничивающими объем изобретения согласно формуле.

Краткое описание графических материалов

Прилагаемые чертежи, которые включены и составляют часть настоящего описания изобретения, иллюстрируют один из вариантов воплощения изобретения, и, вместе с описанием, служат для объяснения принципов изобретения.

На фиг.1 изображена типичная система теплообмена согласно настоящему изобретению;

Фиг.2 - типичный вид микроканалов в ускоряющем элементе системы по фиг.1;

Фиг.3 - типичная иллюстрация зеркального столкновения, согласно настоящему изобретению;

Фиг.4 - типичный вид микроканалов в замедляющем элементе системы по фиг.1;

На фиг.5 изображен типичный вид границы раздела и канал связи, соединяющий ускоряющий элемент и замедляющий элемент системы по фиг.1; и

На фиг.6 изображены типичные нормальные векторы к стенкам микроканалов и угловые смещения в ускоряющем элементе системы по фиг.1.

Осуществление изобретения

Ссылки будут делаться подробно на настоящий вариант (иллюстративный вариант) воплощения изобретения, характеристики которого проиллюстрированы в прилагаемых чертежах. Там, где возможно, на всех чертежах будут использоваться одинаковые ссылочные номера для одинаковых или подобных деталей.

На фиг.1 изображен вид иллюстративной теплообменной системы 100 согласно настоящему изобретению. Насос 150 выполнен для создания и/или поддержания потока текучей среды (такой как, например, воздух) из канала 152 в канал 151. Стрелкой 118 указан типичный поток текучей среды в канал 151, а стрелкой 128 указан типичный поток текучей среды из канала 152.

Вообще, согласно настоящему изобретению, вспомогательная система 110 может включать в себя ряд ускоряющих элементов 115, причем каждый ускоряющий элемент 115 включает в себя микроканалы (описываемые ниже), сообщающиеся по текучей среде с каналом 151. Кроме того, вспомогательная система 120 может включать в себя ряд замедляющих элементов 125, причем каждый замедляющий элемент 125 также включает в себя микроканалы (описываемые ниже), сообщающиеся по текучей среде с каналом 152. Кроме того, в соответствии с иллюстративным вариантом воплощения настоящего изобретения, может существовать взаимно однозначное соответствие между каждым из микроканалов каждого ускоряющего элемента 115 и каждым из микроканалов каждого замедляющего элемента 125, причем взаимно однозначное соответствие может быть осуществлено посредством гарантии того, что микроканал каждого ускоряющего элемента 115 сообщается по текучей среде с микроканалом замедляющего элемента 125 через границу 130 раздела.

В предпочтительном варианте воплощения изобретения каждая пара из ускоряющего элемента 115 и замедляющего элемента 125 может передавать 100 ватт от холодной стороны (ускоряющий элемент 115) к горячей стороне (замедляющий элемент 125). Размеры такого ускоряющего элемента 115 в рамках 100 ваттной пары из ускоряющего и замедляющего элемента могут составлять 100 на 100 миллиметров. В следующем варианте воплощения изобретения к каждому ускоряющему элементу 115 и замедляющему элементу 125 может быть присоединен дополнительный теплообменный элемент (не показан). В варианте воплощения изобретения согласно настоящему описанию, дополнительный теплообменный элемент может быть, главным образом, плоским (так, ускоряющий элемент 115 и замедляющий элемент 125 - плоские), и служить для отвода тепла от замедляющего элемента 125 в окружающее воздушное пространство (посредством обеспечения дополнительной площади поверхности для рассеяния такой энергии), или служить для подвода тепла к ускоряющему элементу 115 из окружающего воздушного пространства (также посредством обеспечения дополнительной площади поверхности для охлаждения). В одном варианте воплощения изобретения дополнительный теплообменный элемент может быть размером 100 миллиметров на 100 миллиметров, таким образом, приводя к размерам комбинированного ускоряющего элемента 115 и дополнительного теплообменного элемента 100 миллиметров на 200 миллиметров, и приводя к размерам комбинированного замедляющего элемента 125 и дополнительного теплообменного элемента 100 миллиметров на 200 миллиметров. В варианте воплощения изобретения, изображенном на фиг.1, с показанными двадцатью (20) такими парами ускоряющих элементов 115 и замедляющих элементов 125, система 100 может быть способна передавать 2 киловатта от вспомогательной системы 110 к вспомогательной системе 120. В следующем предпочтительном варианте воплощения изобретения с 35 такими парами, способными передавать 3,5 киловатта от холодной стороны к горячей стороне, высота Н системы на 3,5 киловатта может быть около 300 миллиметров. Поскольку граница 130 раздела имеет ширину 10 миллиметров (и учитывая дополнительные теплообменные элементы, описанные выше), габаритные размеры подобной системы на 3,5 киловатта могут быть 300 миллиметров на 210 миллиметров на 200 миллиметров. Кроме того, типичный диаметр канала 151 и канала 152 может быть 25 миллиметров или больше. Кроме того, в такой иллюстративной системе на 3,5 киловатта, где текучей средой является воздух, насос 150 может быть воздушным насосом на 300-500 ватт. Кроме того, в таком иллюстративном варианте воплощения изобретения воздух, циркулирующий в системе 100, может втягиваться из промежуточной окружающей среды системы 100.

Канал 151 сообщается по текучей среде с каналом 152 посредством ряда микроканалов в ряде ускоряющих элементов 115, границе 130 раздела, и замедляющих элементов 125. Стрелкой 138 указан поток текучей среды от ускоряющего элемента 115 к замедляющему элементу 125 через границу 130 раздела.

Фиг.2 - схематический вид микроканала 210 в типичном ускоряющем элементе 115 по фиг.1. Канал 151 изображен как отверстие в ускоряющем элементе 115 и сообщается по текучей среде с микроканалом 210. Масштаб микроканала 210 изображен на фиг.2 с иллюстративной целью. Микроканал 210 может быть выполнен малым (т.е., с площадью внутренней поверхности, которая может быть примерно от 3е-11 м^2 на линейный микрон до 6е-10 м^2 на линейный микрон в предпочтительном варианте воплощения изобретения, что может соответствовать каналу с примерным диаметром от 9 до 180 микронов, соответственно). Как изображено на фиг.2 в иллюстративном варианте воплощения изобретения, микроканал 210 примерно привязан к планарной области (т.е. ускоряющему элементу 115), и представляется спиральным, так что текучая среда, поступающая из канала 151, входит в микроканал 210, описывая дуги увеличивающегося радиуса, пока текучая среда не поступит в линейный канал 220. В предпочтительном варианте воплощения изобретения общая длина микроканала 210 от канала 151 до достижения линейного канала 220 может составлять примерно от 10 мм до 1 ми более. Кроме того, как описано ранее, в предпочтительном варианте воплощения изобретения, где ускоряющий элемент 115 является одним из пары на 100 ватт ускоряющих и замедляющих элементов, ширина W может составлять 100 миллиметров.

Кроме того, в предпочтительном варианте воплощения изобретения стенки микроканала 210 могут быть, по существу, зеркальными, на фиг.3 изображена часть фиг.2 в увеличенном виде. В частности, стрелкой 325 представлена компонента скорости составляющей частицы 310 перед тем, как составляющая частица 310 сталкивается со стенкой 305. (Стенка 305 - это увеличенный вид типичной стенки микроканала 210, и составляющая частица 310 соответствует составляющей частице в типичной текучей среде, протекающей через микроканал 210 в соответствии с предпочтительным вариантом воплощения изобретения). Перпендикуляр 306 представляет ось, которая перпендикулярна плоскости, ограниченной стенкой 305. Стрелкой 335 представлена компонента скорости составляющей частицы 310 после того, как составляющая частица 310 сталкивается со стенкой 305. Использованное здесь зеркальное столкновение между составляющей частицей 310 и стенкой 305 является столкновением, при котором компонента скорости составляющей частицы 310 параллельна плоскости 302, ограниченной локальной частью 301 стенки 305, ближайшей к столкновению между составляющей частицей 310 и стенкой 305, и, по существу, одинакова до столкновения и после него. Кроме того, при зеркальном столкновении скорость составляющей частицы 310, связанная с компонентой скорости, перпендикулярной плоскости стенки 305, может быть, по существу, одинаковой до столкновения и после него. Специалисту понятно, что термин «зеркальное столкновение», используемый здесь, не должен толковаться применительно только к упругому столкновению. Скорее, поскольку может происходить передача энергии (в среднем) между стенкой 305 микроканала и множеством составляющих частиц 310, понятно, что любое отдельное зеркальное столкновение между составляющей частицей 310 и стенкой 305 может увеличивать или уменьшать кинетическую энергию составляющей частицы 310 в сравнении с кинетической энергией, присущей ей до столкновения. Например, если существует передача энергии от стенки 305 к составляющей частице 310, можно ожидать, что острый угол между составляющей частицей 310 и плоскостью, параллельной стенке 305, будет больше после столкновения, чем до него. Аналогично, если существует передача энергии от составляющей частицы 310 к стенке 305, можно ожидать, что острый угол между составляющей частицей 310 и плоскостью, параллельной стенке 305, будет меньше после столкновения, чем до него. Кроме того, поскольку температура текучей среды, содержащей множество составляющих частиц, отличается от температуры стенки, может существовать передача внутренней энергии от текучей среды к стенке, или от стенки к текучей среде (в зависимости от того, температура которой из них выше). Поскольку столкновения между множеством составляющих частиц 310 и стенкой 305 являются, по сути, зеркальными, как используется здесь, передача энергии от текучей среды, протекающей через микроканал 210 к стенке 305, или от стенки 305 к текучей среде, протекающей через микроканал 210, может происходить, преимущественно, посредством среднего изменения в скорости составляющей частицы 310, связанного с изменением в ее компоненте скорости, перпендикулярной плоскости стенки 305, во время столкновения. Кроме того, понятно, что такое изменение в компоненте скорости составляющей частицы 310 во время столкновения может изменить общую скорость составляющей частицы 310, как результат процесса столкновения.

В варианте воплощения изобретения согласно настоящему описанию, поверхность стенок микроканала 210 может включать любой подходящий материал, подобранный для зеркальных столкновений, такой как кремний, вольфрам, золото, платина и алмаз. Такая поверхность может быть осаждена на микроканал 210 с использованием любого из видов технологии изготовления MEMs (микроэлектромеханических систем), включая, помимо прочего, осаждение с помощью напыления и парообразования. Кроме того, согласно настоящему изобретению, на стенках канала могут выращиваться алмазные гладкие пленки с зернами в пределах 100 нм и шероховатостью поверхности Ra 20 нм. В одном варианте воплощения изобретения алмаз может быть предпочтительным, вследствие его точки плавления (т.е. около 4000 К при давлении одна атмосфера) и вследствие его твердости (т. е. а10 по шкале твердости Мооса). Согласно другим вариантам воплощения настоящего изобретения, поверхность стенок микроканала 210 может также включать карбид вольфрама, стекло и пиролитический графит - частично, по меньшей мере, вследствие своей высокой теплопроводности на уровне 1700 Вт/мК. Микроканал 210 может также включать пленки из наночастиц алмаза на подложке из пиролитического графита.

Фиг.4 - схематический вид микроканала 410 в типичном замедляющем элементе 125 по фиг.1. Канал 152 изображен как отверстие в замедляющем элементе 125 и сообщается по текучей среде с микроканалом 410. Кроме того, на фиг.4 с иллюстративной целью изображен масштаб микроканала 410. Микроканал 410 может быть выполнен малым (т.е. с площадью внутренней поверхности, которая может быть примерно от 3е-11 м^2 на линейный микрон до 6е-10 м^2 на линейный микрон в предпочтительном варианте воплощения изобретения, что может соответствовать каналу с примерным диаметром от 9 до 180 микронов, соответственно). Как изображено на фиг.4 в типичном варианте воплощения изобретения, микроканал 410 примерно привязан к планарной области (т.е., замедляющему элементу 125) и представляется спиральным, так что текучая среда, поступающая из линейного канала 420, входит в микроканал 410, описывая дуги уменьшающегося радиуса, пока текучая среда не поступит в канал 152. В предпочтительном варианте воплощения изобретения общая длина микроканала 410 от линейного канала 420 до достижения канала 152 может составлять примерно от 10 мм до 1 ми более. Кроме того, как описано ранее, в предпочтительном варианте воплощения изобретения, где замедляющий элемент 125 является одним из пары на 100 ватт ускоряющих и замедляющих элементов, ширина W может составлять 100 миллиметров. Кроме того, в предпочтительном варианте воплощения изобретения стенки микроканала 410 могут быть, главным образом, зеркальными.

В варианте воплощения изобретения, согласно настоящему описанию, поверхность стенок микроканала 410 может включать любой подходящий материал, подобранный для зеркальных столкновений, такой как кремний, вольфрам, золото, платина и алмаз. Такая поверхность может быть осаждена на микроканал 410 с использованием любого из видов технологии изготовления MEMs (микроэлектромеханических систем), включая, помимо прочего, осаждение с помощью напыления и парообразования. Кроме того, согласно настоящему изобретению, на стенках канала могут выращиваться алмазные гладкие пленки с зернами в пределах 100 нм и шероховатостью поверхности Ra 20 нм. В одном варианте воплощения изобретения алмаз может быть предпочтительным, вследствие его точки плавления (т.е. около 4000 К при давлении одна атмосфера) и вследствие его твердости (т. е. а10 по шкале твердости Мооса). Согласно другим вариантам воплощения настоящего изобретения, поверхность стенок микроканала 410 может также включать карбид вольфрама, стекло и пиролитический графит - частично, по меньшей мере, вследствие своей высокой теплопроводности на уровне 1700 Вт/мК. Микроканал 410 может также включать пленки из наночастиц алмаза на подложке из пиролитического графита.

На фиг.5 изображено соединение 510 между линейным каналом 220 и линейным каналом 420 через границу 130 раздела.

В предпочтительном варианте воплощения изобретения, где текучей средой является воздух, канал 151 может поддерживаться при относительно высоком давлении, а канал 152 может поддерживаться при относительно низком давлении, что обеспечивает поток текучей среды через ряд ускоряющих элементов 115 и замедляющих элементов 125. В предпочтительном варианте воплощения изобретения канал 151 может иметь давление около 1 атм и более, а канал 152 может иметь давление, составляющее около 0,528 от давления канала 151.

Возвращаясь к фиг.6, на которой изображен увеличенный вид микроканала 210, текучая среда, находящаяся во внутренней части микроканала 210 (т.е. ближайшая к приточному отверстию 601), может вводиться в поток по спиралям с увеличивающимися радиусами с использованием разности давлений, описанной ранее. Поскольку температура текучей среды в приточном отверстии 601 - T₁, то составляющие частицы (такие как составляющая частица 310 на фиг.3) могут быть представлены распределением скоростей, средняя скорость которого пропорциональна температуре.

Поскольку проходное сечение приточного отверстия 601 маленькое (например, примерно от 0.01 мкм^2 до 500 мкм^2, причем текучей средой является воздух), составляющие частицы текучей среды, движущиеся через приточное отверстие 601 в микроканал 210, могут проявлять скорость, которая имеет компоненту, параллельную направлению 650, большую, чем ее компонента, перпендикулярная направлению 650. Следовательно, текучая среда, проходящая по микроканалу 210, приобретает скорость потока, которая преимущественно параллельна направлению 650. Кинетическая энергия, которая связана с потоком текучей среды в направлении 650, извлекается из внутренней тепловой энергии текучей среды, которая находилась при температуре Т₁, перед вхождением в приточное отверстие 601. Закон сохранения энергии предписывает, что, поскольку часть исходной тепловой энергии текучей среды при T₁ преобразована в кинетическую энергию потока для текучей среды, проходящей по микроканалу 210, температура текучей среды (в рамках, которые стационарны при скорости потока) в микроканале 210 может быть ниже, чем T₁, ее мы будем обозначать Т₂. Поскольку температура Т₂ также меньше, чем температура стенки 610 (которую мы будем обозначать T_w) микроканала 210, текучая среда в микроканале 210 может охлаждать материал, содержащий ускоряющий элемент 115.

Микроканал 210, согласно варианту воплощения настоящего изобретения, выполнен так, чтобы усиливать влияние этого изменения температуры на текучую среду, проходящую по микроканалу 210, по меньшей мере трояко. В частности, поскольку стенка 610 и составляющие частицы в текучей среде подобраны так, что столкновения между стенкой 610 и составляющими частицами, главным образом, зеркальные, то такие столкновения - которые означают передачу энергии между стенкой 610 и текучей средой - будут оказывать минимальное влияние на общий поток текучей среды через микроканал 210. Иначе говоря, поскольку столкновения между составляющими частицами и стенкой 610 таковы, что скорость составляющей частицы равновероятна в любом направлении от стенки 610 (т.e. незеркальное столкновение), то множество таких столкновений будет иметь эффект замедления потока текучей среды, что также, вероятно, имеет эффект повышения внутренней температуры текучей среды в микроканале 210. Микроканал 210, согласно варианту воплощения настоящего изобретения, выполнен для усиления эффекта охлаждения посредством избирательного уклонения от не зеркальных столкновений.

Кроме того, поскольку наружная стенка микроканала 210 выполнена как, главным образом, увеличивающаяся спираль, зеркальное рассеяние составляющей частицы от последующих частей микроканала 210 (таких как части 610, 615 и 620), может преобразовывать часть компоненты скорости, которая перпендикулярна направлению потока через микроканал 210 (т.е. радиальной компоненты скорости), в компоненту, параллельную направлению потока через микроканал 210. Поскольку спираль становится все больше вдоль траектории микроканала 210, составляющие частицы могут испытывать все меньше и меньше столкновений со стенкой (вдоль траектории микроканала 210) по мере перемещения текучей среды в направлении линейного канала 220.

Кроме того, поскольку микроканал 210 создается маленьким (т.е. с площадью внутренней поверхности, которая может быть величиной примерно от 3е-11 м^2 на линейный микрон до 6е-10 м^2 на линейный микрон в предпочтительном варианте воплощения изобретения), отношение площади поверхности, представленной стенкой микроканала 210 к данному объему текучей среды в любой области в пределах микроканала 210, относительно большое (т.е. там, где объем текучей среды, ограниченный указанной поверхностью, составляет примерно от 8е-17 м^3 на линейный микрон до 3е-15 м^3 на линейный микрон). Поскольку площадь поверхности, представленная стенкой микроканала 210 к объему текучей среды, является основным средством обмена энергией между стенками и текучей средой 115, это может вести к увеличению до максимума общего обменного взаимодействия энергий между текучей средой и микроканалом 210.

Например, как показано на фиг.6, составляющая частица может входить в приточное отверстие 601 с компонентой, предпочтительно параллельной направлению 650, и испытывать зеркальное столкновение с локальной областью 610 стенки микроканала 210, и приобретать компоненту скорости в направлении 651. Теперь составляющая частица может подвергаться зеркальному столкновению с локальной областью 615 стенки микроканала 210, и приобретает компоненту скорости в направлении 652. Составляющая частица может подвергаться зеркальному столкновению с локальной областью 620 стенки микроканала 210, и приобретать дополнительную компоненту скорости вдоль главного направления микроканала 210.

Угол β соответствует угловому смещению между перпендикуляром 625 и перпендикуляром 630. Угол α соответствует угловому смещению между перпендикуляром 630 и перпендикуляром 635. В предпочтительном варианте воплощения изобретения, там, где интервал между первой частью стенки и второй частью стенки по меньшей мере N раз кратен наибольшей ширине микроканала вблизи этого интервала (где N может быть целым числом), угловое смещение между первым перпендикуляром и вторым перпендикуляром может быть меньше чем N/10 градусов. Аналогично, там, где интервал между второй частью стенки и третьей частью стенки по меньшей мере N раз кратен наибольшей ширине микроканала вблизи этого интервала, угловое смещение между вторым перпендикуляром и третьим перпендикуляром может быть меньше чем N/10 градусов. Например, предпочтительно, там, где интервал между первой частью стенки и второй частью стенки (и интервал между второй частью стенки и третьей частью стенки) по меньшей мере двадцатипятикратен наибольшей ширине микроканала в этом интервале, угловое смещение между первым перпендикуляром и вторым перпендикуляром (и вторым перпендикуляром и третьим перпендикуляром) составляет меньше чем 2,5 градуса. Аналогично, предпочтительно, там, где интервал между локальной областью 610 и локальной областью 615 составляет по меньшей мере пятидесятикратную наибольшую ширину микроканала 210 в этом интервале, угловое смещение между перпендикуляром 625 и перпендикуляром 630 может быть меньше чем 5 градусов. Аналогично, там, где интервал между локальной областью 615 и локальной областью 620 составляет по меньшей мере пятидесятикратную наибольшую ширину микроканала 210 в этом интервале, угловое смещение между перпендикуляром 630 и перпендикуляром 635 может быть меньше чем 5 градусов.

Таким образом, ускоряющий элемент 115 может охлаждаться посредством прохождения текучей среды, причем текучая среда подобрана так, чтобы иметь зеркальные столкновения со стенками микроканала 210. Кроме того, текучая среда, проходящая через ускоряющий элемент 115, может быть ускорена: т.е., когда текучая среда достигает линейного канала 220, компонента скорости составляющих частиц текучей среды направлена, преимущественно, вдоль направления линейного канала 220, ведущего к соединению 510.

Частично обобщая, и в соответствии с настоящим изобретением, кинетическая энергия поступательного движения (ТКЕ) составляющих частиц в текучей среде (т.е. молекул в молекулярном пучке) может быть уменьшена благодаря столкновениям с поверхностью. Процентное отношение ТКЕ, переданной от текучей среды к поверхности, может зависеть от скорости текучей среды, гладкости поверхности, внутренней кинетической энергии составляющих частиц в текучей среде и плотности кинетической энергии поверхности.

Текучая среда (как молекулярный пучок) с определенной среднеквадратической (RMS) скоростью и постоянным средним углом падения может передавать больше энергии к гладкой поверхности с низкой плотностью кинетической энергии, чем к такой же поверхности с более высокой плотностью энергии. Если плотность энергии поверхности достаточно высока относительно плотности энергии сталкивающегося молекулярного пучка, энергия не будет передаваться от пучка к поверхности.

Поверхностные столкновения, которые приводят к переносу чистой энергии к поверхности, могут понижать уровень внутренней кинетической энергии составляющих частиц в текучей среде. Когда уровень внутренней энергии молекулы понижен в достаточной степени (например, за счет колебательных энергетических уровней), она может испускать один или более фотонов с частотой, которая соизмерима с пониженным уровнем внутренней энергии.

Тот же принцип действия можно применить к замедляющему элементу 125, где микроканал 410 выполнен как спираль, которая имеет последовательно уменьшающиеся радиусы для текучей среды, проходящей от линейного канала 420 к каналу 152. Таким образом, текучая среда с высокой скоростью, поступающая от соединения 510 в линейный канал 420, может подвергаться все большему количеству столкновений со стенкой (вдоль траектории микроканала 210), по мере перемещения текучей среды в направлении канала 152.

Как и в случае ускоряющего элемента 115 и микроканала 210, стенки микроканала 410 в замедляющем элементе 125 выполнены так, чтобы составляющие частицы в текучей среде, проходящей через микроканал 410, подвергались зеркальным столкновениям.

Кроме того, там, где составляющими частицами текучей среды являются молекулы (и, например, там, где текучей средой является газ), определенные колебательные состояния составляющих частиц могут заполняться в результате увеличения температуры, что достигается вблизи внутреннего отверстия между микроканалом 410 и каналом 152.

Согласно настоящему изобретению, молекулярный пучок в устройствах микроэлектромеханических систем (таких как ускоряющий элемент 115 и замедляющий элемент 125), которые могут использоваться для охлаждения электронных устройств, холодильной техники, кондиционирования воздуха и других видов применения, может иметь высокие среднеквадратические скорости. Молекулярный пучок, состоящий из комнатного воздуха со среднеквадратичной скоростью 2000 м/с, имеет кинетическую энергию поступательного движения спокойного воздуха более 4000 К, температура, которая находится достаточно далеко от точки плавления большинства материалов. Теплообменник горячей стороны системы охлаждения предпочтительно должен иметь возможность отбора точных количеств как кинетической энергии поступательного движения, так и внутренней кинетической энергии, из ускоренного молекулярного пучка, без повреждения теплообменника, состоящего из традиционных материалов, таких как алюминий и теплопроводные пластмассы с точкой плавления всего 933 К или меньше.

Постепенное уменьшение уровня кинетической энергии поступательного движения быстрого молекулярного пучка с высокой плотностью энергии относительно плотности энергии поверхности позволяет происходить передаче энергии к поверхности на увеличенной длине поверхности. Это - желательный способ отбора энергии из молекулярного пучка, когда более концентрированное выделение могло бы повредить канал или увеличить температуру устройства сверх целесообразных пределов. При таком подходе к постепенному отбору энергии теплообменник горячей стороны в системе охлаждения, который выполнен из алюминия с точкой плавления 933 К, может использоваться для передачи отобранной энергии от молекулярного пучка с высокой энергией со среднеквадратичной скоростью 2000 м/с или больше, в наружную окружающую среду, без повреждения каналов теплообменного устройства и без перегрева какой-либо части наружной поверхности теплообменного устройства. С помощью постепенного отбора кинетической энергии, для применения в теплообменниках горячей стороны в качестве каналов и тепловых уплотнений может использоваться практически любой соответствующий материал канала, включая керамику и теплопроводные полимеры.

Как описано здесь, когда молекулярный пучок испытывает ряд поверхностных столкновений с дугой постепенно уменьшающегося радиуса, энергия поступательного движения и внутренняя кинетическая энергия отбирается постепенно. Разнообразные конструкции каналов устройства микроэлектромеханических систем могут обеспечить молекулярный пучок, испытывающий ряд столкновений с дугой постепенно уменьшающегося радиуса. Например, каналы, выполненные в виде спиралей с начальными большими радиусами, которые постепенно уменьшаются по длине до меньших радиусов, и спиральный молекулярный пучок, протекающий через ослабленный канал, используя центробежную силу спирального движения, чтобы оставаться вблизи поверхности при всех диаметрах канала, являются двумя примерами таких конструкций. Любая конструкция для постепенного отбора энергии служит для облегчения преобразования кинетической энергии пучков в излучение инфракрасного и оптического диапазона света, даже когда средняя энергия, содержащаяся в пучке, при резком замедлении или остановке могла бы произвести излучение повышенной частоты. Для видов применения, требующих излучения повышенной частоты, конструкция, которая способствует способам более резкого отбора энергии, конечно, может применяться в объеме настоящего изобретения.

Уравнение, описывающее примерное преобразование энергии из энергии поступательного движения молекулярного пучка в температуру поверхности столкновения, может быть выведено с помощью кинетической теории. В уравнении (3kT)/2=(mv^2)/2, k - постоянная Больцмана, Т - температура в градусах Кельвина, m - масса, и v - скорость. Поскольку энергия возрастает пропорционально квадрату скорости, количество кинетической энергии, которая может быть перенесена к поверхности посредством замедления более быстрого пучка на один метр в секунду, может быть больше, чем количество, которое может быть перенесено к той же поверхности более медленным молекулярным пучком при таком же уменьшении скорости. Локальная температура поверхностей столкновения и теплового тракта, направленного к наружным поверхностям, может регулироваться при дополнительных углах столкновения с известными диапазонами скорости молекулярного пучка.

Теплообменник согласно настоящему изобретению, который постепенно поглощает кинетическую энергию из молекулярного пучка с высокой энергией, может быть нагрет, поскольку кинетическая энергия из молекулярного пучка поглощается внутренними поверхностями канала теплообменника. При условии, что существует достаточно теплопроводный тракт между внутренними поверхностями канала и наружными поверхностями теплообменника, поверхности теплообменника и канала молекулярного пучка могут поддерживаться при любом необходимом дельта Т (изменении температуры) с окружающей средой, при обычных средствах теплопередачи от теплообменника в окружающую среду. Теплообменники, которые равномерно отбирают энергию из молекулярного пучка вдоль поверхности канала, могут почти приближаться к условиям, близким к изотермическим.

Энергия, отбираемая из уравновешенного молекулярного пучка, может использоваться для точной дискретизации режимов энергии в полости канала. Излучение света с прогнозируемой энергией обеспечивается по формуле Планка для излучения, то есть равна постоянной Планка, умноженной на частоту. Формула Планка для излучения может использоваться для расчета средней энергии любой желаемой частоты света, излучаемого из канала устройства микроэлектромеханических систем.

Когда коллимированный и уравновешенный молекулярный пучок передает высокие результирующие количества энергии к поверхности канала, может также возникать непрерывное когерентное спонтанное излучение. Прозрачность канала для излучаемой частоты света может позволить свету выходить из канала для практических целей, которые включают любые применения лазеров и преобразование световой энергии в электрический ток, как это происходит с помощью матрицы фотодиодов в траектории потока фотонной эмиссии из каналов. Напряжение тока может быть связано с энергией ионизации материала канала. Когерентное излучение может давать фотодиоды с узкой полосой пропускания для эффективного преобразования выделенной энергии из молекулярного пучка в электрический ток требуемого напряжения.

Когерентная и синфазная эмиссия из нескольких каналов может легко достигаться из ряда параллельных поверхностей канала на устройстве микроэлектромеханических систем, при использовании сверхплоских поверхностей подложки. Плотность энергии когерентного излучения может достигаться при субмикронных интервалах между параллельными каналами. При использовании разнообразных материалов, могут изготавливаться устройства микроэлектромеханических систем с каналами, прозрачными в области видимого и ультрафиолетового излучения, с отличной оптической однородностью. Кремний может обеспечивать оптическую однородность при приемлемой прозрачности для некоторых инфракрасных частот, как это может германий и Amtir. Сапфир, оксид иттрия и иттрий-алюминиевый гранат также обеспечивают замечательное оптическое светопропускание в инфракрасной области. Оптическое стекло может использоваться для длины волны ультрафиолетового и видимого диапазона.

В предпочтительном варианте воплощения изобретения структура или микроканал 210 и микроканал 410 могут уменьшать потребность в мощности накачки. Благодаря, по меньшей мере частично, такой структуре, значения, связанные с коэффициентом полезного действия («СОР»), могут быть равны 10 или выше.

В следующем варианте воплощения, согласно настоящему изобретению, значения СОР могут быть равны 10 или выше, благодаря работе при различных давлениях. Например, в иллюстративном варианте воплощения изобретения мощность, необходимая для составляющей частицы (или молекулы), является функцией отношения давлений, а не давления. Для иллюстративных систем 100, которые работают при повышенных давлениях, но которые выполнены так, чтобы иметь одинаковое отношение давлений, стоимость накачки на составляющую частицу будет оставаться одинаковой, но поток повышенной плотности составляющих частиц (т.е. молекулярный поток повышенной плотности) может обеспечивать повышенную интенсивность теплопередачи, и может давать СОР от 10 или выше.

Материалы и компоненты согласно настоящему изобретению, такие как типичные устройства, описанные выше, предлагают решения всех проблем, которые были выявлены.

Другие варианты воплощения изобретения согласно данному описанию будут очевидны для специалиста из рассмотрения описания и практического применения раскрываемых здесь вариантов воплощения изобретения. Предполагается, что описание и примеры рассматриваются только как иллюстративные, а истинный объем и сущность изобретения указаны в формуле изобретения.

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано в теплообменниках для микроприборов. Представлены материалы, компоненты и способы, направленные на изготовление и использование микромасштабных каналов с текучей средой для системы теплообмена, причем температура и поток текучей среды регулируется, частично, за счет макроскопической геометрии микромасштабного канала и подбора по меньшей мере части стенки микромасштабного канала и составляющих частиц, образующих текучую среду. Кроме того, стенка микромасштабного канала и составляющие частицы подобраны таким образом, чтобы столкновения между составляющими частицами и стенкой были, главным образом, зеркальными. Ускоряющие и замедляющие элементы, предусмотренные здесь, могут быть выполнены с микромасштабными каналами, которые могут описывать, как правило, спиральную траекторию. Технический результат - расширение арсенала средств. 3 н. и 22 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Устройство для теплообмена, содержащее:
микроканал, содержащий часть стенки; и
газ, содержащий составляющую частицу;
причем микроканал выполнен так, чтобы вмещать поток газа в первом направлении, главным образом, перпендикулярном поперечному сечению микроканала; и
часть стенки и составляющая частица подобраны так, что столкновения между составляющей частицей и частью стенки являются, главным образом, зеркальными; и
часть стенки содержит, по меньшей мере, первую и вторую часть стенки, третью часть стенки, первую промежуточную часть стенки, и вторую промежуточную часть стенки;
граница первой части стенки является смежной с первой границей первой промежуточной части стенки, первая граница второй части стенки является смежной со второй границей первой промежуточной части стенки, вторая граница второй части стенки является смежной с первой границей второй промежуточной части стенки, и граница третьей части стенки является смежной со второй границей второй промежуточной части стенки, так что первая часть стенки, первая промежуточная часть стенки, вторая часть стенки, вторая промежуточная часть стенки, и третья часть стенки образуют смежную часть стенки микроканала;
причем, первый перпендикуляр к первой части стенки не параллелен второму перпендикуляру ко второй части стенки, и также не параллелен третьему перпендикуляру к третьей части стенки, а второй перпендикуляр также не параллелен третьему перпендикуляру;
угловое смещение между первым перпендикуляром и вторым перпендикуляром составляет меньше чем 90 градусов, и примерно такое же, как угловое смещение между вторым перпендикуляром и третьим перпендикуляром;
интервал между первой частью стенки и второй частью стенки, по меньшей мере, является кратным целому числу N наибольшей ширины микроканала в этом интервале; и
угол смещения между первым перпендикуляром и вторым перпендикуляром меньше чем М градусов, где М равно N/10.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что N выбрано, по меньшей мере, как одно из чисел: двадцать пять и пятьдесят.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что газ содержит воздух.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что микроканал, главным образом, привязан к планарной области.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что траектория микроканала является спиральной, с внутренней и наружной частями, причем радиус наружной части больше, чем радиус внутренней части.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что, по меньшей мере, часть микроканала выполнена с площадью внутренней поверхности примерно от 3е-11 м^2 на линейный микрон до 6е-10 м^2 на линейный микрон.

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что часть стенки дополнительно содержит материал покрытия, осажденный на подложку.

8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что подложка содержит медь.

9. Устройство по п.7, отличающееся тем, что материал покрытия содержит вольфрам.

10. Устройство по п.1, отличающееся тем, что часть стенки изготовлена, как правило, гладкой.

11. Устройство по п.1, отличающееся тем, что поток газа в микроканале проходит от внутренней части к наружной части.

12. Устройство по п.1, отличающееся тем, что поток газа в микроканале проходит от наружной части к внутренней части.

13. Способ теплообмена, включающий:
создание микроканала, содержащего часть стенки;
создание газа, содержащего составляющую частицу; и
возбуждение потока газа, примыкающего к части стенки;
причем микроканал выполнен так, чтобы вмещать поток газа в первом направлении, главным образом, перпендикулярном поперечному сечению микроканала; и
часть стенки и составляющая частица подобраны так, что столкновения между составляющей частицей и частью стенки являются, главным образом зеркальными; и
часть стенки содержит, по меньшей мере, первую, вторую часть стенки и третью части стенки, первую промежуточную часть стенки, и вторую промежуточную часть стенки;
граница первой части стенки является смежной с первой границей первой промежуточной части стенки, первая граница второй части стенки является смежной со второй границей первой промежуточной части стенки, вторая граница второй части стенки является смежной с первой границей второй промежуточной части стенки, и граница третьей части стенки является смежной со второй границей второй промежуточной части стенки, так что первая часть стенки, первая промежуточная часть стенки, вторая часть стенки, вторая промежуточная часть стенки, и третья часть стенки образуют смежную часть стенки микроканала;
первый перпендикуляр к первой части стенки не параллелен второму перпендикуляру ко второй части стенки, и также не параллелен третьему перпендикуляру к третьей части стенки, а второй перпендикуляр также не параллелен третьему перпендикуляру;
угловое смещение между первым перпендикуляром и вторым перпендикуляром составляет меньше чем 90 градусов, и примерно такое же, как угловое смещение между вторым перпендикуляром и третьим перпендикуляром;
интервал между первой частью стенки и второй частью стенки, по меньшей мере, является кратным целому числу N наибольшей ширины микроканала в этом интервале; и
угол смещения между первым перпендикуляром и вторым перпендикуляром меньше чем М градусов, где М равно N/10.

14. Способ по п.13, отличающийся тем, что N выбрано, по меньшей мере, как одно из чисел: двадцать пять и пятьдесят.

15. Способ по п.13, отличающийся тем, что:
этап создания микроканала, содержащего часть стенки, включает:
создание части стенки при первой температуре в первый момент времени; причем
часть текучей среды проходит через микроканал за период времени между первым моментом и вторым моментом, более поздним, чем первый момент; причем
во второй момент часть стенки имеет вторую температуру, которая меньше, чем первая температура.

16. Способ по п.13, отличающийся тем, что газ содержит воздух.

17. Способ по п.13, отличающийся тем, что траектория микроканала является спиральной, с внутренней наружной частями, причем радиус наружной части больше, чем радиус внутренней части.

18. Способ по п.13, отличающийся тем, что дополнительно обеспечивает теплообменный элемент, электрически связанный с частью стенки.

19. Способ по п.13, отличающийся тем, что, по меньшей мере, часть микроканала выполнена с площадью внутренней поверхности примерно от 3е-11 м^2 на линейный микрон до 6е-10 м^2 на линейный микрон.

20. Способ по п.13, отличающийся тем, что дополнительно обеспечивает микроканал, содержащий часть стенки, включающий: осаждение материала на поверхность микроканала, используя, по меньшей мере, один из способов: осаждение напылением и парообразованием.

21. Способ по п.20, отличающийся тем, что поверхность является медной.

22. Способ по п.20, отличающийся тем, что материалом служит вольфрам.

23. Система для теплообмена, содержащая:
ускоряющий элемент, содержащий устройство по п.11;
замедляющий элемент, содержащий устройство по п.12; и
границу раздела, содержащую микроканал, сообщающийся по текучей среде с микроканалом ускоряющего элемента и микроканалом замедляющего элемента
причем газ ускоряющего элемента содержит первую часть газа, в основном, при первом давлении, и газ замедляющего элемента содержит вторую часть газа, в основном, при втором давлении, которое меньше, чем первое давление.

24. Система по п.23, отличающаяся тем, что ускоряющий элемент и замедляющий элемент выполнен так, чтобы передавать тепловую энергию от ускоряющего элемента к замедляющему элементу, при величине, как минимум, 100 ватт.

25. Система по п.23, отличающаяся тем, что каждый из ускоряющих элементов и замедляющих элементов имеет размер примерно 100 миллиметров на 100 миллиметров.