способ и устройство для регулирования температуры и расхода текучей среды

Формула изобретения

1. Охлаждающее устройство, содержащее:

микроканал, включающий участок стенки, впускное отверстие и выпускное отверстие; и

газ, состоящий из составных частиц;

причем микроканал имеет такую конфигурацию, что вмещает поток газа, перемещающийся из впускного отверстия в выпускное отверстие в первом направлении, преимущественно перпендикулярном поперечному сечению микроканала;

причем впускное отверстие имеет первую площадь поперечного сечения, а выпускное отверстие имеет вторую площадь поперечного сечения, преимущественно отличающуюся от первой площади поперечного сечения; и

причем участок стенки и поток составных частиц имеют такую конфигурацию, что столкновения между составной частицей и участком стенки преимущественно сопровождаются зеркальным отскоком.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что газ представляет собой воздух.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что первая площадь поперечного сечения меньше второй площади поперечного сечения.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что частица выбрана из группы, включающей молекулу и атом.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что по крайней мере часть поперечного сечения микроканала меняется в зависимости от расстояния в первом направлении между впускным отверстием и выпускным отверстием.

6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что изменение поперечного сечения микроканала в зависимости от расстояния в первом направлении между впускным отверстием и выпускным отверстием является преимущественно линейно-возрастающим.

7. Устройство по п.5, отличающееся тем, что изменение поперечного сечения микроканала в зависимости от расстояния в первом направлении между впускным отверстием и выпускным отверстием является преимущественно резким в области, прилегающей к впускному отверстию, почти постоянным между областью, прилегающей к впускному отверстию, и выпускным отверстием, при этом поперечное сечение микроканала между областью, прилегающей к впускному отверстию, и выпускным отверстием больше поперечного сечения микроканала в области, прилегающей к впускному отверстию.

8. Устройство по п.5, отличающееся тем, что изменение поперечного сечения микроканала в зависимости от расстояния в первом направлении между впускным отверстием и выпускным отверстием является преимущественно резким в области, прилегающей к выпускному отверстию, почти постоянным между областью, прилегающей к выпускному отверстию, и впускным отверстием, при этом поперечное сечение микроканала между впускным отверстием и выпускным отверстием больше поперечного сечения микроканала в области, прилегающей к выпускному отверстию.

9. Устройство по п.5, отличающееся тем, что изменение поперечного сечения микроканала в зависимости от расстояния в первом направлении между впускным отверстием и выпускным отверстием является преимущественно линейным и преимущественно возрастающим в первой области и преимущественно линейным и преимущественно убывающим во второй области, причем первая область прилегает к впускному отверстию, а вторая область прилегает к выпускному отверстию.

10. Устройство по п.5, отличающееся тем, что изменение поперечного сечения микроканала в зависимости от расстояния в первом направлении между впускным отверстием и выпускным отверстием является преимущественно резким в области, прилегающей к впускному отверстию, преимущественно резким в области, прилегающей к выпускному отверстию, и почти постоянным между областью, прилегающей к впускному отверстию, и областью, прилегающей к выпускному отверстию, причем поперечное сечение микроканала между областью, прилегающей к впускному отверстию, и областью, прилегающей к выпускному отверстию, больше поперечного сечения микроканала в области, прилегающей к впускному отверстию.

11. Устройство по п.9, отличающееся тем, что дополнительно содержит термоэлектрическое устройство, прилегающее к выпускному отверстию.

12. Устройство по п.10, отличающееся тем, что дополнительно содержит термоэлектрическое устройство, прилегающее к выпускному отверстию.

13. Устройство по п.9, отличающееся тем, что дополнительно содержит фотоэлектрическое устройство, прилегающее к выпускному отверстию.

14. Устройство по п.10, отличающееся тем, что дополнительно содержит фотоэлектрическое устройство, прилегающее к выпускному отверстию.

15. Устройство по п.1, отличающееся тем, что участок стенки содержит материал, осажденный путем напыления.

16. Устройство по п.1, отличающееся тем, что участок стенки содержит материал с высокой температурой плавления.

17. Устройство по п.1, отличающееся тем, что участок стенки содержит материал с высокой плотностью.

18. Устройство по п.1, отличающееся тем, что участок стенки содержит материал покрытия.

19. Устройство по п.1, отличающееся тем, что участок стенки содержит материал покрытия, осажденный на подложку путем напыления, и в котором столкновение между составной частицей и участком стенки, преимущественно сопровождаемое зеркальным отскоком, включает столкновение между составной частицей и материалом покрытия, преимущественно сопровождаемое зеркальным отскоком.

20. Устройство по п.19, отличающееся тем, что подложка содержит медь.

21. Устройство по п.20, отличающееся тем, что материал покрытия содержит вольфрам.

22. Устройство по п.1, отличающееся тем, что первая площадь поперечного сечения имеет размер в первом диапазоне порядка 0,01-500 мкм², а вторая площадь поперечного сечения имеет размер во втором диапазоне порядка 0,1-50000 мкм².

23. Устройство по п.22, отличающееся тем, что линейное расстояние между впускным отверстием и выпускным отверстием по длине микроканала имеет значение в диапазоне порядка 0,01 мм - 10 м.

24. Способ охлаждения, по которому:

создают микроканал, содержащий поверхность, впускное отверстие и выпускное отверстие, причем указанная поверхность содержит участок стенки, впускное отверстие имеет первую площадь поперечного сечения, а выпускное отверстие имеет вторую площадь поперечного сечения, преимущественно отличающуюся от первой площади поперечного сечения;

создают газ, содержащий составные частицы; и

обеспечивают перемещение газа из впускного отверстия в выпускное отверстие в первом направлении, преимущественно перпендикулярном поперечному сечению микроканала;

причем участок стенки и/или составная частица имеют такую конфигурацию, что столкновения между составляющей составной частицей и участком стенки преимущественно сопровождаются зеркальным отскоком.

25. Способ по п.24, отличающийся тем, что:

часть газа, прилегающая к впускному отверстию, имеет первую температуру;

часть газа, прилегающая к выпускному отверстию, имеет вторую температуру;

составная частица является молекулой со множеством колебательных состояний; и

при создании газа, содержащего составные частицы:

создают часть газа, состоящую из множества молекул, причем множество молекул обладает первым распределением колебательных состояний, соотнесенным с первой температурой, и

множество молекул обладает вторым распределением колебательных состояний, соотнесенным со второй температурой.

26. Способ по п.24, отличающийся тем, что газ является воздухом.

27. Способ по п.24, отличающийся тем, что первая площадь поперечного сечения меньше второй площади поперечного сечения.

28. Способ по п.24, отличающийся тем, что частица выбрана из группы, в состав которой входит молекула и атом.

29. Способ по п.24, отличающийся тем, что по крайней мере часть поперечного сечения микроканала меняется в зависимости от расстояния в первом направлении между впускным отверстием и выпускным отверстием.

30. Способ по п.29, отличающийся тем, что изменение поперечного сечения микроканала в зависимости от расстояния в первом направлении между впускным отверстием и выпускным отверстием является преимущественно линейно-возрастающим.

31. Способ по п.29, отличающийся тем, что изменение поперечного сечения микроканала в зависимости от расстояния в первом направлении между впускным отверстием и выпускным отверстием является преимущественно резким в области, прилегающей к впускному отверстию, почти постоянным между областью, прилагающей к впускному отверстию, и выпускным отверстием, причем поперечное сечение микроканала между областью, прилегающей к впускному отверстию, и выпускным отверстием больше, чем поперечное сечение микроканала в области, прилегающей к впускному отверстию.

32. Способ по п.29, отличающийся тем, что изменение поперечного сечения микроканала в зависимости от расстояния в первом направлении между впускным отверстием и выпускным отверстием является преимущественно резким в области, прилегающей к выпускному отверстию, почти постоянным между областью, прилагающей к выпускному отверстию, и впускным отверстием, причем поперечное сечение микроканала между впускным отверстием и выпускным отверстием больше, чем поперечное сечение микроканала в области, прилегающей к выпускному отверстию.

33. Способ по п.29, отличающийся тем, что изменение поперечного сечения микроканала в зависимости от расстояния в первом направлении между впускным отверстием и выпускным отверстием является преимущественно линейно-возрастающим в первой области и преимущественно линейно-убывающим во второй области, причем первая область прилегает к впускному отверстию, а вторая область прилегает к выпускному отверстию.

34. Способ по п.29, отличающийся тем, что изменение поперечного сечения микроканала в зависимости от расстояния в первом направлении между впускным отверстием и выпускным отверстием является преимущественно резким в области, прилегающей к впускному отверстию, преимущественно резким в области, прилегающей к выпускному отверстию, и почти постоянным между областью, прилегающей к впускному отверстию, и областью, прилегающей к выпускному отверстию, причем поперечное сечение микроканала между областью, прилегающей к впускному отверстию, и областью, прилегающей к выпускному отверстию, больше поперечного сечения микроканала в области, прилегающей к впускному отверстию.

35. Способ по п.33, отличающийся тем, что создают термоэлектрическое устройство, прилегающее к выпускному отверстию.

36. Способ по п.34, отличающийся тем, что создают термоэлектрическое устройство, прилегающее к выпускному отверстию.

37. Способ по п.33, отличающийся тем, что создают фотоэлектрическое устройство, прилегающее к выпускному отверстию.

38. Способ по п.34, отличающийся тем, что создают фотоэлектрическое устройство, прилегающее к выпускному отверстию.

39. Способ по п.24, отличающийся тем, что микроканал содержит материал, осажденный на поверхность путем напыления.

40. Способ по п.24, отличающийся тем, что участок стенки содержит материал с высокой температурой плавления.

41. Способ по п.24, отличающийся тем, что участок стенки содержит материал с высокой плотностью.

42. Способ по п.24, отличающийся тем, что микроканал содержит материал покрытия, осажденный на поверхность путем напыления.

43. Способ по п.42, отличающийся тем, что поверхность содержит медь.

44. Способ по п.43, отличающийся тем, что материал покрытия содержит вольфрам.

45. Способ по п.24, отличающийся тем, что первая площадь поперечного сечения имеет размер в первом диапазоне порядка 0,01-500 мкм ², а вторая площадь поперечного сечения имеет размер во втором диапазоне порядка 0,1-50000 мкм².

46. Способ по п.45, отличающийся тем, что линейное расстояние между впускным отверстием и выпускным отверстием по длине микроканала имеет значение в диапазоне порядка 0,01 мм - 10 м.

47. Охлаждающая система, содержащая:

микроканал, включающий участок стенки, впускное отверстие и выпускное отверстие; и

газ, состоящий из составных частиц, при этом обеспечено перемещение газа через микроканал за счет разности давлений между первым давлением и вторым давлением, причем первое давление газа, прилегающего к впускному отверстию, является атмосферным давлением, а второе давление газа, прилегающего к выпускному отверстию, преимущественно меньше атмосферного давления;

причем микроканал имеет такую конфигурацию, что вмещает поток газа, перемещающийся из впускного отверстия в выпускное отверстие в первом направлении, преимущественно перпендикулярном поперечному сечению микроканала;

причем участок стенки и поток составных частиц имеют такую конфигурацию, что столкновения между составной частицей и участком стенки преимущественно сопровождаются зеркальным отскоком.

48. Система по п.47, отличающаяся тем, что газ представляет собой воздух.

49. Система по п.47, отличающаяся тем, что впускное отверстие имеет площадь впускного поперечного сечения в первом диапазоне порядка 0,01-500 мкм², а выпускное отверстие имеет площадь выпускного поперечного сечения во втором диапазоне порядка 0,1-50000 мкм².

50. Система по п.49, отличающаяся тем, что линейное расстояние между впускным отверстием и выпускным отверстием по длине микроканала имеет значение в диапазоне порядка 0,01 мм - 10 м.

51. Способ охлаждения, по которому:

создают микроканал, содержащий поверхность, впускное отверстие и выпускное отверстие, причем указанная поверхность содержит участок стенки;

создают газ, содержащий составные частицы;

обеспечивают перемещение газа из впускного отверстия в выпускное отверстие в первом направлении, преимущественно перпендикулярном поперечному сечению микроканала, за счет разности давлений между первым давлением и вторым давлением, причем первое давление газа, прилегающего к впускному отверстию, является атмосферным давлением, а второе давление газа, прилегающего к выпускному отверстию, преимущественно меньше атмосферного давления;

причем участок стенки и/или поток составных частиц имеют такую конфигурацию, что столкновения между составной частицей и участком стенки преимущественно сопровождаются зеркальным отскоком.

52. Способ по п.51, отличающийся тем, что газ представляет собой воздух.

53. Способ по п.51, отличающийся тем, что первая площадь поперечного сечения имеет размер в первом диапазоне порядка 0,01-500 мкм², а вторая площадь поперечного сечения имеет размер во втором диапазоне порядка 0,1-50000 мкм ².

54. Способ по п.53, отличающийся тем, что линейное расстояние между впускным отверстием и выпускным отверстием по длине микроканала имеет значение в диапазоне порядка 0,01 мм - 10 м.

Описание изобретения к патенту

Область техники

Материалы, компоненты и способы согласно данному изобретению направлены на изготовление и использование микромасштабных каналов, содержащих текучую среду, причем температура и расход этой текучей среды по крайней мере частично определяется геометрическими размерами канала и конфигурацией по крайней мере участка стенки этого канала, а также потока составных частиц, из которых состоит эта текучая среда.

Уровень техники

Объем такой текучей среды, как воздух можно характеризовать температурой и давлением. Если считать ее накоплением составных частиц, представляющих собой, например, молекулы кислорода и азота, то объем текучей среды при определенной температуре можно также характеризовать как распределение скоростей составных частиц. Это распределение обычно можно характеризовать средней скоростью, которая, понятно, связана с температурой текучей среды (такой как газ).

Соответственно, внутренняя тепловая энергия текучей среды служит источником энергии при использовании ее для нагревания, охлаждения и образования потока текучей среды. Один из способов использования внутренней тепловой энергии такой текучей среды, как газ был описан в патентах США № 7008176 и 6932564, полностью включенных в эту заявку путем ссылки.

Если устройство для использования внутренней тепловой энергии такой текучей среды, как газ действует, отбирая составные частицы текучей среды с помощью движущихся частей, чтобы выбрать направление или скорость перемещения частиц, имеется потребность в способе и устройстве, которые могли бы регулировать расход и температуру текучей среды, но не с помощью подобных движущихся частей.

Соответственно, первой целью данного изобретения является создание систем и способов, которые извлекают пользу от охлаждения, нагревания и/или регулирования расхода текучей среды, но принцип действия которых не основан на использовании движущихся частей.

Добиться этого удалось путем изготовления и использования систем, содержащих один или несколько микромасштабных каналов («микроканалов»), имеющих такую конфигурацию, чтобы вмещать поток текучей среды, причем стенки микроканала и составные частицы текучей среды имеют такую конфигурацию, чтобы столкновения между составными частицами и стенками микроканала сопровождались преимущественно зеркальным отскоком.

Раскрытие изобретения

Типичный микроканал согласно данному изобретению образован впускным отверстием и выпускным отверстием, которые связаны друг с другом протоком.

Используемый здесь термин «поперечное сечение» микроканала относится к характеристической площади микроканала в плоскости, которая проходит преимущественно перпендикулярно направлению, в котором перемещается общий поток текучей среды по микроканалу.

Используемый здесь термин «горловина» микроканала относится к тому участку микроканала, который проявляет локальный минимум поперечного сечения. Следует учитывать, что может быть несколько горловин, связанных с одним микроканалом.

В одном варианте осуществления настоящего изобретения впускное отверстие микроканала имеет конфигурацию, представляющую его горловину, и стенки микроканала имеют конфигурацию для образования микроканала с поперечным сечением, в целом постепенно увеличивающимся в направлении перемещения текучей среды. В таком показательном варианте осуществления (когда текучей средой является, например, воздух) впускное отверстие имеет преимущественно размер 100 мкм ² и может где-нибудь иметь размер в диапазоне 0,01 - 500 мкм². Кроме того, выпускное отверстие имеет преимущественно размер 3000 мкм² и может где-нибудь иметь размер в диапазоне 0,1 - 50.000 мкм². Длина стенок микроканала (т.е. линейное расстояние между впускным отверстием и выпускным отверстием микроканала) преимущественно составляет 30 мм и может где-нибудь иметь размер в диапазоне 0,01 мм - 10 м. В ином варианте осуществления настоящего изобретения размеры впускного отверстия и выпускного отверстия (и изменение размера поперечного сечения в зависимости от длины) могут быть обратными по отношению к указанным выше значениям. Например, впускное отверстие имеет преимущественно размер 3000 мкм² и может где-нибудь иметь размер в диапазоне 0,1 - 50.000 мкм², а выпускное отверстие имеет преимущественно размер 100 мкм² и может где-нибудь иметь размер в диапазоне 0,01 - 500 мкм².

В другом варианте осуществления настоящего изобретения впускное отверстие микроканала имеет конфигурацию, представляющую его горловину, и стенки микроканала имеют конфигурацию, образующую микроканал с поперечным сечением, резко возрастающим возле горловины и остающимся почти постоянным на остальном участке перемещения текучей среды. В таком показательном варианте осуществления (когда текучей средой является, например, воздух) впускное отверстие имеет преимущественно размер 100 мкм² и может где-нибудь иметь размер в диапазоне 0,01 - 500 мкм². Примерное расстояние от такого впускного отверстия до расширения в более крупное отверстие почти постоянного размера может составлять около 500 мкм. Кроме того, выпускное отверстие имеет преимущественно размер 3000 мкм² и может где-нибудь иметь размер в диапазоне 0,1 - 50.000 мкм². Длина стенок микроканала (т.е. линейное расстояние между впускным отверстием и выпускным отверстием микроканала) преимущественно составляет 30 мм и может где-нибудь иметь размер в диапазоне 0,01 мм - 50 м. В другом варианте осуществления настоящего изобретения размеры впускного отверстия и выпускного отверстия (и изменение размера поперечного сечения в зависимости от длины) могут быть обратными по отношению к указанным выше значениям. Например, впускное отверстие имеет преимущественно размер 3000 мкм² и может где-нибудь иметь размер в диапазоне 0,1 - 50.000 мкм², а выпускное отверстие имеет преимущественно размер 100 мкм² и может где-нибудь иметь размер в диапазоне 0,01 - 500 мкм ².

В другом варианте осуществления настоящего изобретения как впускное отверстие, так и выпускное отверстие микроканала имеют такую конфигурацию, чтобы образовывать его горловину (т.е. проявляют локальную минимальность поперечного сечения), и стенки микроканала имеют такую конфигурацию, чтобы образовать микроканал с поперечным сечением, в целом постепенно увеличивающимся в направлении перемещения текучей среды до максимальной точки - преимущественно на полпути между впускным отверстием и выпускным отверстием - и затем постепенно уменьшающимся в направлении перемещения текучей среды до локально минимальной точки в выпускном отверстии. В таком показательном варианте осуществления (когда текучей средой является, например, воздух) впускное отверстие и выпускное отверстие имеют преимущественно размер 100 мкм ² и могут где-нибудь иметь размер в диапазоне 0,01 - 500 мкм². Максимальное поперечное сечение между впускным отверстием и выпускным отверстием имеет преимущественно размер 3000 мкм² и может где-нибудь иметь размер в диапазоне 0,1 - 50.000 мкм². Длина стенок микроканала (т.е. линейное расстояние между впускным отверстием и выпускным отверстием микроканала) преимущественно составляет 30 мм и может где-нибудь иметь размер в диапазоне 0,02 мм - 100 м.

Еще в одном варианте осуществления настоящего изобретения и впускное отверстие, и выпускное отверстие микроканала имеют такую конфигурацию, чтобы образовывать его горловины, и стенки микроканала имеют такую конфигурацию, чтобы образовать микроканал с поперечным сечением, резко возрастающим возле горловины во впускном отверстии, остающимся почти постоянным вдоль направления перемещения текучей среды, а затем резко уменьшающимся возле горловины в выпускном отверстии. В таком показательном варианте осуществления (когда текучей средой является, например, воздух) впускное отверстие и выпускное отверстие имеют преимущественно размер 100 мкм ² и могут где-нибудь иметь размер в диапазоне 0,01 - 500 мкм². Максимальное поперечное сечение между впускным отверстием и выпускным отверстием имеет преимущественно размер 3000 мкм² и может где-нибудь иметь размер в диапазоне 0,1 - 50.000 мкм². Длина стенок микроканала (т.е. линейное расстояние между впускным отверстием и выпускным отверстием микроканала) преимущественно составляет 30 мм и может где-нибудь иметь размер в диапазоне 0,02 мм - 100 м. Типичная длина таких входного отверстия и выходного отверстия (до их расширения до большего поперечного сечения, остающегося почти постоянным) может составлять примерно 500 мкм.

В другом варианте осуществления настоящего изобретения любой из сегментов микроканала, описанного выше, (первый сегмент микроканала) может иметь такую конфигурацию, чтобы он был связан протоком с другим сегментом микроканала (вторым сегментом микроканала), причем конфигурация выпускного отверстия первого сегмента микроканала такова, что оно было непосредственно связано протоком с входным отверстием второго сегмента микроканала. Кроме того, первый сегмент микроканала и второй сегмент микроканала могут иметь такую конфигурацию, чтобы в их поперечных сечениях наблюдалась сходная или почти сходная зависимость формы и размеров стенок от длины микроканала и сходные или почти сходные размеры горловин.

Еще в одном варианте осуществления настоящего изобретения любой из сегментов микроканала, описанного выше, (первый сегмент микроканала) может иметь такую конфигурацию, представляющую собой микроканал, который проходит почти параллельно другому сегменту микроканала (второму сегменту микроканала), причем конфигурация впускных отверстий первого сегмента микроканала и второго сегмента микроканала такова, что они связаны друг с другом протоком, и выпускные отверстия первого сегмента микроканала и второго сегмента микроканала связаны друг с другом протоком. Кроме того, первый сегмент микроканала и второй сегмент микроканала могут иметь такую конфигурацию, чтобы в их поперечных сечениях наблюдалась сходная или почти сходная зависимость формы и размеров стенок от длины микроканала и сходные или почти сходные размеры горловин.

Помимо того, при регулировании расхода и температуры в объеме такой текучей среды, которая состоит из молекул, возможно заселение молекулярно-колебательных уровней в результате усиленного нагревания объема текучей среды. Если разрешена релаксация таких колебательно-возбужденных молекул, то способы и системы согласно настоящему изобретению пригодны для создания и регулирования электромагнитного излучения, образующегося при релаксации.

Далее регулирование расхода и температуры в объеме текучей среды пригодно для множества практических применений, включая нагревание и охлаждение, замораживание, генерирование электроэнергии, излучение когерентного и некогерентного света, накачивание газа, генерирование плазменного излучения и пучка частиц, ускорение пучка частиц, проведение химических процессов.

Дополнительные цели и преимущества данного изобретения будут частично изложены в последующем описании, а частично будут очевидны из этого описания или же могут выявиться при практическом использовании данного изобретения. Цели данного изобретения будут достигнуты, а его преимущества реализованы путем использования элементов и их сочетаний, указанных конкретно в прилагаемой формуле изобретения.

Понятно, что и предшествующее общее описание, и последующее подробное описание являются лишь показательными и пояснительными и не ограничивают объем изобретения, изложенный в его формуле.

Приведенные чертежи, которые являются неотъемлемой частью этого описания, наглядно изображают варианты осуществления этого изобретения и вместе с описанием помогают понять принципы данного изобретения.

Краткое описание графических материалов

На фиг.1 приведено поперечное сечение варианта осуществления данного изобретения.

На фиг.2 приведено альтернативное изображение трех поперечных сечений для вариантов осуществления настоящего изобретения, изображенных, например, на фиг.1, 4, 5 и 6.

На фиг.3 приведено пояснительное изображение столкновения, сопровождающегося зеркальным отскоком, согласно данному изобретению.

На фиг.4 приведен вариант осуществления микроканала согласно данному изобретению.

На фиг.5 приведен другой вариант осуществления микроканала согласно данному изобретению.

На фиг.6 приведен еще один вариант осуществления данного изобретения.

На фиг.7 приведен вариант осуществления данного изобретения с последовательным расположением конфигураций, использованных в вариантах осуществления, показанных на фиг.1 и 4.

На фиг.8 приведен вариант осуществления данного изобретения с последовательным расположением конфигураций, использованных в вариантах осуществления, показанных на фиг.5 и 6.

На фиг.9 приведен вариант осуществления данного изобретения с последовательным расположением конфигураций, использованных в варианте осуществления, показанном на фиг.7.

На фиг.10 приведен вариант осуществления данного изобретения с последовательным расположением конфигураций, использованных в варианте осуществления, показанном на фиг.8.

На фиг.11 приведен вариант осуществления данного изобретения с параллельным расположением конфигураций, использованных в варианте осуществления, показанном на фиг.1.

На фиг.12 приведен вариант осуществления данного изобретения с параллельным расположением конфигураций, использованных в варианте осуществления, показанном на фиг.4

На фиг.13 приведен вариант осуществления данного изобретения с параллельным расположением конфигураций, использованных в варианте осуществления, показанном на фиг.5.

На фиг.14 приведен вариант осуществления данного изобретения с параллельным расположением конфигураций, использованных в варианте осуществления, показанном на фиг.6.

На фиг.15 приведен вариант осуществления данного изобретения с параллельным расположением конфигураций, использованных в варианте осуществления, показанном на фиг.7.

На фиг.16 приведен вариант осуществления данного изобретения с параллельным расположением конфигураций, использованных в варианте осуществления, показанном на фиг.8.

На фиг.17 приведен вариант осуществления данного изобретения с параллельным расположением конфигураций, использованных в варианте осуществления, показанном на фиг.9.

На фиг.18 приведен вариант осуществления данного изобретения с параллельным расположением конфигураций, использованных в варианте осуществления, показанном на фиг.10.

Осуществление изобретения

Здесь будет приведено подробное описание представленных (пояснительных) вариантов осуществления, особенности которых показаны на прилагаемых чертежах. По возможности на всех чертежах будут использованы одни и те же условные обозначения для одних и тех же или сходных частей.

На фиг.1 изображен показательный вариант осуществления данного изобретения. Микроканал 100 содержит впускное отверстие 130 и выпускное отверстие 150. Текучая среда 115, состоящая из составных частиц 110, протекает по микроканалу 100 в направлении 120. Стенка 105 микроканала 100 прилегает к потоку текучей среды 115. Изображение, соотнесенное с фиг.1, представляет собой поперечный срез микроканала 100 согласно данному изобретению. Другие показательные поперечные сечения микроканала 100 согласно данному изобретению изображены на фиг.2, причем они представляют собой поперечные срезы, соответствующие срезу 135 (показанному на фиг.1). Так, например, поперечное сечение впускного отверстия 130, т.е. участка 140, и выпускного отверстия 150 может иметь квадратную форму 101, круглую форму 102, прямоугольную форму 103 или какую-либо иную форму ограниченной двухмерной фигуры.

Как показано на фиг.1, перемещение текучей среды 115 по микроканалу 100 в направлении 120 может происходить за счет разности давлений между впускным отверстием 130 и выпускным отверстием 150. Кроме того, стенка 105 и поток составных частиц 110 имеют такую конфигурацию, что столкновения между составными частицами 110 и стенкой 105, которые происходят внутри микроканала 100 (во внутренней его области, которая обычно представляет собой область 140), преимущественно сопровождаются зеркальным отскоком. Столкновения с зеркальным отскоком изображены более детально в виде схемы на фиг.3.

На фиг.3 изображена в увеличенном виде часть фиг.1. А именно, стрелка 325 показывает компоненту скорости составной частицы 110 перед тем, как составная частица 110 столкнется со стенкой 105. Нормаль 305 представляет собой ось, которая перпендикулярна плоскости, определяемой стенкой 105. Стрелка 335 показывает компоненту скорости составной частицы 110 после того, как составная частица 110 столкнулась со стенкой 105. Столкновение с зеркальным отскоком между составной частицей 110 и стенкой 105 означает здесь такое столкновение, при котором компонента скорости составной частицы 110, параллельная плоскости стенки 105, является почти одной и той же до и после столкновения. Кроме того, во время столкновения с зеркальным отскоком скорость составной частицы 110, соотнесенная с компонентой скорости, перпендикулярной плоскости стенки 105, может быть почти одной и той же до и после столкновения. Сведущий в данной области специалист должен понимать, что термин «столкновение с зеркальным отскоком» не используется здесь в значении одного лишь упругого столкновения. Поскольку будет происходить (усредненный) перенос энергии между стенкой 105 микроканала и множеством составных частиц 110, вполне понятно, что какое-либо одно столкновение с зеркальным отскоком между составной частицей 110 и стенкой 105 может или увеличивать, или уменьшать кинетическую энергию составной частицы 110 по сравнению с кинетической энергией, которой она обладала до столкновения. Так, например, если происходит перенос энергии от стенки 105 к составной частице 110, тогда следует ожидать, что острый угол между составной частицей 110 и плоскостью, параллельной стенке 105, после столкновения будет больше, чем до столкновения. Таким же образом, если происходит перенос энергии от составной частицы 110 к стенке 105, тогда следует ожидать, что острый угол между составной частицей 110 и плоскостью, параллельной стенке 105, после столкновения будет меньше, чем до столкновения. Кроме того, если температура текучей среды, представляющей собой множество составных частиц, отличается от температуры стенки, то следует ожидать, что будет происходить перенос внутренней энергии или от текучей среды к стенке, или от стенки к текучей среде (в зависимости от того, где температура выше). Когда столкновения между множеством составных частиц 110 и стенкой 105 происходят преимущественно с зеркальным отскоком в том понимании, которое здесь используется, то следует ожидать, что перенос энергии от текучей среды 115 к стенке 105 или от стенки 105 к текучей среде 115 будет происходить преимущественно путем среднего изменения скорости составных частиц 110, соотнесенного с изменением их компоненты скорости, перпендикулярной плоскости стенки 105 во время столкновения. Следует также учитывать, что такое изменение компоненты скорости составных частиц 110 во время столкновения приведет к изменению общей скорости составных частиц 110 в результате протекания процесса столкновения.

На фиг.1 текучая среда 115, которая поступает в микроканал 100 через впускное отверстие 130, может перемещаться к выпускному отверстию 150 под действием разности давления между впускным отверстием 130 и выпускным отверстием 150, если давление текучей среды 115 во впускном отверстии 130 больше давления текучей среды 115 в выпускном отверстии. Если температура текучей среды 115 во впускном отверстии 130 составляет T₁, тогда составные частицы 110 (до поступления в область 140) можно представить в виде распределения скоростей, среднее значение которых пропорционально температуре.

Если горловина впускного отверстия мала (например, составляет от 0,01 мкм² до 500 мкм ², когда текучей средой является воздух), то составная частица 110, поступающая через впускное отверстие 130 в область 140, обычно имеет такую скорость, что ее компонента, параллельная направлению 120, больше компоненты, перпендикулярной направлению 120. Следовательно, текучая среда 115 приобретает скорость течения, которая преимущественно параллельна направлению 120. Кинетическая энергия, которая соотносится с перемещением текучей среды 115 в направлении 120, покрывается за счет внутренней тепловой энергии текучей среды 115, которой она обладала при температуре T ₁ перед поступлением во впускное отверстие 130. Поскольку часть содержавшейся в текучей среде 115 при температуре T ₁ тепловой энергии превратилась в кинетическую энергию потока текучей среды 115, для сохранения энергии требуется, чтобы температура текучей среды 115, которую мы обозначим через Т ₂, в области 140 была ниже температуры T₁ (при условии, что она не меняется в зависимости от скорости течения). Если температура T₂ меньше и температуры (которую мы обозначим через T_w) стенки 105 микроканала 100, тогда текучая среда 115 в области 140 будет охлаждать материал, в котором образован микроканал 100.

Микроканал 100 согласно варианту осуществления настоящего изобретения имеет такую конфигурацию, чтобы усиливать воздействие, которое оказывает это изменение температуры на текучую среду 115, тремя путями. В частности, когда стенка 105 и составные частицы 110 имеют такую конфигурацию, что столкновения между стенкой 105 и составными частицами 110 происходят преимущественно с зеркальным отскоком, то такие столкновения - которые являются средством переноса энергии между стенкой 105 и текучей средой 115 - будут оказывать минимальное воздействие на общий поток текучей среды 115. Иначе говоря, когда столкновение между составной частицей 110 и стенкой 105 происходит так, что скорость составной частицы 110 равновероятна в любом направлении от стенки 105 (т.е. наблюдается столкновение без зеркального отскока), тогда множество подобных столкновений будет оказывать замедляющее действие на поток текучей среды 115, которое будет сопровождаться, вероятно, увеличением внутренней температуры текучей среды 115 в области 140. Микроканал 100 согласно варианту осуществления данного изобретения имеет такую конфигурацию, чтобы усиливать эффект охлаждения, избирательно устраняя воздействие столкновений без зеркального отскока.

Кроме того, поскольку стенка 105 микроканала 100 имеет такую конфигурацию, что площадь поперечного сечения, через которое перемещается текучая среда 115, обычно возрастает, зеркальное рассеяние составных частиц 110 на стенке 105 будет превращать часть компоненты скорости, которая была перпендикулярна направлению 120, в компоненту, параллельную направлению 120.

Более того, микроканал 100 конструктивно мал (т.е. имеет площадь внутренней поверхности, которая в предпочтительном варианте осуществления составляет от 3^-11 м² на линейный микрон до 6^-10 м² на линейный микрон), поэтому отношение площади поверхности, которой стенка 105 обращена к заданному объему текучей среды 115 в области 140, сравнительно велико (а именно, когда объем текучей среды 115, окруженный стенкой с указанной выше площадью поверхности, составляет примерно от 8^-17 м³ на линейный микрон до 3^-15 м³ на линейный микрон). Поскольку поверхность, обращенная стенкой 105 к объему текучей среды 115, является основным местом энергообмена между стенкой 105 и текучей средой 115, это приводит к максимальному увеличению общего энергообмена между текучей средой 115 и микроканалом 100.

На фиг.4 показан другой показательный вариант осуществления данного изобретения. Микроканал 400 содержит впускное отверстие 430 и выпускное отверстие 450. Текучая среда 415, состоящая из составных частиц 410, перемещается по микроканалу 400 в направлении 420. Стенка 405 микроканала 400 прилегает к потоку текучей среды 415. Изображение, соотнесенное с фиг.4, представляет собой поперечный срез микроканала 400 согласно данному изобретению. Как было указано выше в отношении микроканала 100, другие показательные поперечные сечения микроканала 400 согласно данному изобретению изображены на фиг.2, причем они представляют собой поперечные срезы, соответствующие срезу 135 (в этом варианте показанному на фиг.4). Так, например, поперечное сечение впускного отверстия 430, т.е. участка 440, и выпускного отверстия 450 может иметь квадратную форму 101, круглую форму 102, прямоугольную форму 103 или какую-либо иную форму ограниченной двухмерной фигуры.

Как показано на фиг.4, перемещение текучей среды 415 по микроканалу 400 в направлении 420 может происходить за счет разности давлений между впускным отверстием 430 и выпускным отверстием 450. Кроме того, стенка 405 и поток составных частиц 410 имеют такую конфигурацию, что столкновения между составными частицами 410 и стенкой 405, которые происходят внутри микроканала 400 (во внутренней его области, которая обычно представляет собой область 440), преимущественно сопровождаются зеркальным отскоком.

Текучая среда 415, которая входит в микроканал 400 через впускное отверстие 430, может перемещаться к выпускному отверстию 450, например, за счет воздействия, оказываемого на текучую среду 415 во впускном отверстии 430, чтобы создавать поток в направлении 420 в сторону выпускного отверстия 450 (когда, например, давление текучей среды 415 во впускном отверстии 430 больше, чем давление текучей среды 415 в выпускном отверстии). Если температура текучей среды 415 во впускном отверстии 430 составляет T₁, тогда составные частицы 410 (до поступления в область 440) можно представить в виде распределения скоростей, среднее значение которых пропорционально температуре.

В варианте осуществления, показанном на фиг.4, текучая среда 415 подвергается перемещению параллельно направлению 420. Следовательно, составные частицы 410 в текучей среде 415 будут больше проявлять компоненту скорости в направлении 420 (относительно микроканала 400), чем в направлениях, перпендикулярных направлению 420.

Но в отличие от микроканала 100 стенка 405 микроканала 400 имеет такую конфигурацию, когда площадь поперечного сечения, через которое движется поток, постепенно уменьшается. В этом случае, соответственно, рассеяние с зеркальным отскоком составных частиц 410 от стенки 405 будет превращать часть компоненты скорости, которая была параллельна направлению 420, в компоненту, перпендикулярную направлению 420. Такое превращение энергии потока во внутреннюю кинетическую энергию текучей среды 415 приведет к увеличению температуры текучей среды 415. Это увеличение станет более заметным возле выпускного отверстия 450. Возле этой области, соответственно, микроканал 400 имеет такую конфигурацию, чтобы энергия потока, соотнесенная с текучей средой 415 во впускном отверстии 430, была в большей степени превращена во внутреннюю кинетическую энергию текучей среды 415.

При подобных обстоятельствах может потребоваться обеспечить теплоизоляцию этого участка микроканала 400. Так, например, можно придать участку микроканала 400, прилегающему к выпускному отверстию, такую конфигурацию, чтобы он не передавал тепловую энергию на другие участки микроканала 400. Этот теплоизолированный участок показан на фиг.4 под номером 455.

Помимо того, если составные частицы 410 текучей среды 415 представляют собой молекулы (и, например, если текучая среда 415 представляет собой газ), тогда определенные колебательные состояния составных частиц 410 могут быть заселены в результате увеличения температуры, обеспечиваемого возле выпускного отверстия 450.

Когда такие колебательно-возбужденные молекулы проходят затем через выпускное отверстие 450, то будут испускать, вероятно, электромагнитное излучение, чтобы перейти в более низкое колебательное состояние. Следует также отметить, что микроканал 400 можно использовать для создания среди совокупности подобных колебательно-возбужденных молекул, проходящих через выпускное отверстие 450, такой инверсии заселенности в колебательных состояниях, которая пригодна для лазерной генерации.

На фиг.5 показан другой вариант осуществления данного изобретения. Микроканал 500 содержит впускное отверстие 530 и выпускное отверстие 550. Текучая среда 515, состоящая из составных частиц 510, перемещается по микроканалу 500 в направлении 520. Стенка 505 микроканала 500 прилегает к потоку текучей среды 515. Изображение, соотнесенное с фиг.5, представляет собой поперечный срез микроканала 500 согласно данному изобретению. Другие показательные поперечные сечения микроканала 500 согласно данному изобретению изображены на фиг.2, причем они представляют собой поперечные срезы, соответствующие срезу 135 (показанному на фиг.5). Так, например, поперечное сечение впускного отверстия 530 и выпускного отверстия 550 может иметь квадратную форму 101, круглую форму 102, прямоугольную форму 103 или какую-либо иную форму ограниченной двухмерной фигуры.

Перемещение текучей среды 515 по микроканалу 500 в направлении 520 может происходить за счет разности давлений между впускным отверстием 530 и выпускным отверстием 550. Кроме того, стенка 505 и составные частицы 510 имеют такую конфигурацию, что столкновения между составными частицами 510 и стенкой 505, которые происходят внутри микроканала 500, преимущественно сопровождаются зеркальным отскоком.

Текучая среда 515, которая входит в микроканал 500 через впускное отверстие 530, может перемещаться к выпускному отверстию 550 за счет разности давлений между впускным отверстием 530 и выпускным отверстием 550, когда давление текучей среды 515 во впускном отверстии 530 больше, чем давление текучей среды 515 в выпускном отверстии. Если температура текучей среды 515 во входном отверстии 530 составляет T₁, тогда составные частицы 510 (до поступления' в микроканал 500) можно представить в виде распределения скоростей, среднее значение которых пропорционально температуре.

Если горловина впускного отверстия мала (например, составляет от 0,01 мкм ² до 500 мкм², когда текучей средой является воздух, а длина горловины в направления течения составляет около 500 мкм), то составная частица 510, поступающая через впускное отверстие 530 в микроканал 500, обычно имеет такую скорость, что ее компонента, параллельная направлению 520, больше компоненты, перпендикулярной направлению 520. Следовательно, текучая среда 515 приобретает скорость течения, которая преимущественно параллельна направлению 520. Кинетическая энергия, которая соотнесена с перемещением текучей среды 515 в направлении 520, покрывается за счет внутренней тепловой энергии текучей среды 515, которой она обладала при температуре T₁ перед поступлением во впускное отверстие 530. Поскольку часть содержавшейся в текучей среде 515 при температуре T₁ тепловой энергии превратилась в кинетическую энергию потока текучей среды 515, для сохранения энергии требуется, чтобы температура текучей среды 515, которую мы обозначим через Т ₂, в области 540 была ниже температуры T₁ (при условии, что она не меняется в зависимости от скорости течения). Если температура Т₂ меньше и температуры (которую мы обозначим через T_w) стенки 505 микроканала 500, тогда текучая среда 515 в микроканале 500 будет охлаждать материал, в котором образован микроканал 500.

Микроканал 500 согласно варианту осуществления настоящего изобретения имеет также такую конфигурацию, чтобы усиливать воздействие, которое оказывает это изменение температуры на текучую среду 515, тремя путями. В частности, когда стенка 505 и составные частицы 510 имеют такую конфигурацию, что столкновения между стенкой 505 и составными частицами 510 происходят преимущественно с зеркальным отскоком, то такие столкновения - которые являются средством переноса энергии между стенкой 505 и текучей средой 515 - будут оказывать минимальное воздействие на общий поток текучей среды 515. Иначе говоря, когда столкновение между составной частицей 510 и стенкой 505 происходит так, что скорость составной частицы 510 равновероятна в любом направлении от стенки 505 (т.е. наблюдается столкновение без зеркального отскока), тогда множество подобных столкновений будет оказывать замедляющее действие на поток текучей среды 515, которое будет сопровождаться, вероятно, увеличением внутренней температуры текучей среды 515 в области 540. Микроканал 500 согласно варианту осуществления данного изобретения имеет такую конфигурацию, чтобы усиливать эффект охлаждения, избирательно устраняя воздействие столкновений без зеркального отскока.

Помимо того, средний свободный пробег между составными частицами 510 в текучей среде 515 обычно возрастает при увеличении расстояния между впускным отверстием 530 и выпускным отверстием 550, поэтому зависимость зеркального рассеяния составных частиц 510 на стенке 505 от длины вдоль микроканала 500 будет, вероятно, способствовать превращению части компоненты скорости, которая была перпендикулярна направлению 520, в компоненту, параллельную направлению 520.

Более того, микроканал 500 конструктивно мал (т.е. имеет площадь внутренней поверхности, которая в предпочтительном варианте осуществления составляет приблизительно 6^-10 м² на линейный микрон), поэтому отношение площади поверхности, которой стенка 505 обращена к заданному объему текучей среды 515 в области 540, сравнительно велико (т.е. когда объем текучей среды 515, окруженный стенкой с указанной выше площадью поверхности, составляет примерно 3^-15 м³ на линейный микрон). Поскольку поверхность, обращенная стенкой 505 к объему текучей среды 515, является основным местом энергообмена между стенкой 505 и текучей средой 515, это приводит к максимальному увеличению общего энергообмена между текучей средой 515 и микроканалом 500.

На фиг.6 показан другой показательный вариант осуществления настоящего изобретения. Микроканал 600 содержит впускное отверстие 630 и выпускное отверстие 650. Текучая среда 615, состоящая из составных частиц 610, перемещается по микроканалу 600 в направлении 620. Стенка 605 микроканала 600 прилегает к потоку текучей среды 615. Изображение, соотнесенное с фиг.6, представляет собой поперечный срез микроканала 600 согласно данному изобретению. Как было указано выше в отношении микроканала 100, другие показательные поперечные сечения микроканала 600 согласно данному изобретению изображены на фиг.2, причем они представляют собой поперечные срезы, соответствующие срезу 135 (в этом варианте показанному на фиг.6). Так, например, поперечное сечение впускного отверстия 630 и выпускного отверстия 650 может иметь квадратную форму 101, круглую форму 102, прямоугольную форму 103 или какую-либо иную форму ограниченной двухмерной фигуры.

Перемещение текучей среды 615 по микроканалу 600 в направлении 620 может происходить за счет разности давлений между впускным отверстием 630 и выпускным отверстием 650. Кроме того, стенка 605 и составные частицы 610 имеют такую конфигурацию, что столкновения между составными частицами 610 и стенкой 605, которые происходят внутри микроканала 600 (во внутренней его области, которая обычно представляет собой область 640), преимущественно сопровождаются зеркальным отскоком.

Текучая среда 615, которая входит в микроканал 600 через впускное отверстие 630, может перемещаться к выпускному отверстию 650, например, за счет воздействия, оказываемого на текучую среду 615 во впускном отверстии 630, чтобы создавать поток в направлении 620 в сторону выпускного отверстия 650 (когда, например, давление текучей среды 615 во впускном отверстии 630 больше, чем давление текучей среды 615 в выпускном отверстии). Если температура текучей среды 615 во входном отверстии 630 составляет T₁, тогда составные частицы 610 (до поступления в микроканал 600) можно представить в виде распределения скоростей, среднее значение которых пропорционально температуре.

В варианте осуществления, показанном на фиг.6, рассматривается текучая среда 615, перемещаемая параллельно направлению 620. Следовательно, составные частицы 610 в текучей среде 615 будут обладать большей компонентой скорости в направлении 620 (относительно микроканала 600), чем в направлении, перпендикулярном направлению 620.

Но в отличие от микроканала 500 стенка 605 микроканала 600 имеет такую конфигурацию, когда площадь поперечного сечения резко уменьшается вблизи выпускного отверстия 650. В этом случае, соответственно, рассеяние с зеркальным отскоком составных частиц 610 на стенке 605 будет превращать часть компоненты скорости, которая была параллельна направлению 620, в компоненту, не параллельную направлению 620. Такое превращение энергии потока во внутреннюю кинетическую энергию текучей среды 615 приведет к увеличению температуры текучей среды 615. Это увеличение станет более заметным возле выпускного отверстия 650. Возле этой области, соответственно, микроканал 600 имеет такую конфигурацию, чтобы энергия потока, соотнесенная с текучей средой 615 во впускном отверстии 630, в большой степени превращалась во внутреннюю кинетическую энергию текучей среды 615.

При подобных обстоятельствах может потребоваться обеспечить теплоизоляцию этого участка микроканала 600. Так, например, можно придать участку микроканала 600, прилегающему к выпускному отверстию, такую конфигурацию, чтобы он не передавал тепловую энергию на другие участки микроканала 600. Этот теплоизолированный участок показан на фиг.6 под номером 655.

Если составные частицы 610 текучей среды 615 представляют собой молекулы (а текучая среда 615 представляет собой, например, газ), тогда определенные колебательные состояния составных частиц 610 могут быть заселены в результате увеличения температуры, обеспечиваемого возле выпускного отверстия 650.

Когда такие колебательно-возбужденные молекулы проходят затем через выпускное отверстие 650, то будут испускать, вероятно, электромагнитное излучение, чтобы перейти в более низкое колебательное состояние. Следует также отметить, что микроканал 600 можно использовать для создания среди совокупности подобных колебательно-возбужденных молекул, проходящих через выпускное отверстие 650, такой инверсии заселенности в колебательных состояниях, которая пригодна для лазерной генерации.

На фиг.7 показан другой вариант осуществления данного изобретения. Микроканал 700 согласно варианту осуществления данного изобретения имеет такую конфигурацию, в которой использована линейная комбинация показательных вариантов осуществления, показанных на фиг.1 и 4.

Соответственно, все изложенное относительно вариантов осуществления, показанных на фиг.1 и 4, относится путем ссылки и к нему.

Микроканал 700 содержит впускное отверстие 730 и выпускное отверстие 750. Текучая среда 715, состоящая из составных частиц 710, перемещается по микроканалу 700 в направлении 720. Стенка 705 микроканала 700 прилегает к потоку текучей среды 715. Изображение, соотнесенное с фиг.7, представляет собой поперечный срез микроканала 700, как и на фиг.1 и 4.

Текучая среда 715, которая входит в микроканал 700 через впускное отверстие 730, может перемещаться к выпускному отверстию 750 за счет разности давлений между впускным отверстием 730 и выпускным отверстием 750, причем давление текучей среды 715 во впускном отверстии 730 больше давления текучей среды 715 в выпускном отверстии. Кроме того, стенка 705 и поток составных частиц 710 имеют такую конфигурацию, что столкновения между составными частицами 710 и стенкой 705, которые происходят внутри микроканала 700, преимущественно сопровождаются зеркальным отскоком.

Если температура текучей среды 715 во впускном отверстии 730 составляет T ₁, тогда составные частицы 710 (до поступления в микроканал 700) можно представить в виде распределения скоростей, среднее значение которых пропорционально температуре.

Если горловина впускного отверстия мала (например, составляет от 0,01 мкм² до 500 мкм², когда текучей средой является воздух), то составная частица 710, поступающая.через впускное отверстие 730 в микроканал 700, обычно имеет такую скорость, что ее компонента, параллельная направлению 720, больше компоненты, перпендикулярной направлению 720. Следовательно, текучая среда 715 первоначально приобретает скорость течения, которая преимущественно параллельна направлению 720. Кинетическая энергия, которая соотносится с перемещением текучей среды 715 в направлении 720, покрывается за счет внутренней тепловой энергии текучей среды 715, которой она обладала при температуре T₁ перед поступлением во впускное отверстие 730. Поскольку часть содержавшейся в текучей среде 715 при температуре T₁ тепловой энергии превратилась в кинетическую энергию потока текучей среды 715, для сохранения энергии требуется, чтобы температура текучей среды 715, которую мы обозначим через Т₂, в середине 740 была ниже температуры T₁ (при условии, что она не меняется в зависимости от скорости течения). Если температура Т₂ меньше и температуры (которую мы обозначим через T_w) стенки 705 между впускным отверстием 730 и серединой 740 микроканала 700, тогда текучая среда 715 в области между впускным отверстием 730 и серединой 740 будет охлаждать материал, в котором образован микроканал 700.

Микроканал 700 согласно варианту осуществления настоящего изобретения имеет такую конфигурацию, чтобы усиливать воздействие, которое оказывает это изменение температуры на текучую среду 715, тремя путями. В частности, когда стенка 705 и составные частицы 710 имеют такую конфигурацию, что столкновения между стенкой 705 и составными частицами 710 происходят преимущественно с зеркальным отскоком, то такие столкновения - которые являются средством переноса энергии между стенкой 705 и текучей средой 715 - будут оказывать минимальное воздействие на общий поток текучей среды. Иначе говоря, когда столкновение между составной частицей 710 и стенкой 705 происходит так, что скорость составной частицы 710 равновероятна в любом направлении от стенки 705 (т.е. наблюдается столкновение без зеркального отскока), тогда множество подобных столкновений будет оказывать замедляющее действие на поток текучей среды 715, которое будет сопровождаться, вероятно, увеличением внутренней температуры текучей среды 715 в области между впускным отверстием 730 и серединой 740. Микроканал 700 согласно варианту осуществления данного изобретения имеет такую конфигурацию, чтобы усиливать эффект охлаждения, избирательно устраняя воздействие столкновений без зеркального отскока.

Помимо того, поскольку стенка 705 микроканала 700 имеет такую конфигурацию, что площадь поперечного сечения между входным отверстием 730 и серединой 740, через которое перемещается текучая среда 715, обычно возрастает, зеркальное рассеяние составных частиц 710 на стенке 705 будет превращать часть компоненты скорости, которая была перпендикулярна направлению 720, в компоненту, параллельную направлению 720.

Более того, микроканал 700 конструктивно мал (т.е. имеет площадь внутренней поверхности, которая в предпочтительном варианте осуществления составляет от 3^-11 м² на линейный микрон до 6^-10 м² на линейный микрон), поэтому отношение площади поверхности, которой стенка 705 обращена к заданному объему текучей среды 715 в микроканале 700, сравнительно велико (а именно, когда объем текучей среды 715, окруженный стенкой с указанной выше площадью поверхности, составляет примерно от 8^-17 м³ на линейный микрон до 3^-15 м³ на линейный микрон). Поскольку поверхность, обращенная стенкой 705 к объему текучей среды 715, является основным местом энергообмена между стенкой 705 и текучей средой 715, это приводит к максимальному увеличению общего энергообмена между текучей средой 715 и микроканалом 700.

В микроканале 700 между серединой 740 и выпускным отверстием 750 текучая среда 705 подвергается перемещению (которое может усиливаться за счет охлаждающего действия стенки 705 между впускным отверстием 730 и серединой 740) параллельно направлению 720. Следовательно, составные частицы 710 в текучей среде 715 на этом участке будут обладать большей компонентой скорости в направлении 720 (относительно микроканала 700), чем в направлении, перпендикулярном направлению 720.

Но в отличие от области между впускным отверстием 730 и серединой 740 стенка 705 микроканала 700 имеет такую конфигурацию, когда поперечное сечение, через которое движется поток между серединой 740 и выпускным отверстием 750, постепенно уменьшается. В этой области, соответственно, зеркальное рассеяние составных частиц 710 на стенке 705 будет приводить к частичному превращению компоненты скорости, которая была параллельна направлению 720, в компоненту, перпендикулярную направлению 720. Такое превращение энергии потока во внутреннюю кинетическую энергию текучей среды 715 будет приводить к повышению температуры текучей среды 715. Это увеличение станет более заметным возле выпускного отверстия 750. Соответственно, возле этой области микроканал 700 имеет такую конфигурацию, чтобы энергия потока, соотнесенная с текучей средой 715 в середине 740 (которая включает некоторое количество энергии, соотнесенной с охлаждением стенки 705 между впускным отверстием 730 и серединой 740), в большей степени превращалась во внутреннюю кинетическую энергию текучей среды 715.

При подобных обстоятельствах может потребоваться обеспечить теплоизоляцию этого участка микроканала 700. Так, например, можно придать участку микроканала 700, прилегающему к выпускному отверстию, такую конфигурацию, чтобы он не передавал тепловую энергию на другие участки микроканала 700. Этот теплоизолированный участок показан на фиг.7 под номером 755. Помимо того, термоэлектрическое устройство 770 может иметь такую конфигурацию, чтобы можно было отводить тепловую энергию, накопившуюся в области 755. Термоэлектрическое устройство 770 может являться, без ограничений, любым коммерчески доступным устройством подобного рода, например изделием фирмы Custom Thermoelectric под номером 1261G-7L31-04CQ.

Если составные частицы 710 текучей среды 715 представляют собой молекулы (а текучая среда 715 представляет собой, например, газ), тогда определенные колебательные состояния составных частиц 710 могут быть заселены в результате увеличения температуры, обеспечиваемого возле выпускного отверстия 750.

Когда такие колебательно-возбужденные молекулы проходят затем через выпускное отверстие 750, то будут испускать, вероятно, электромагнитное излучение, чтобы перейти в более низкое колебательное состояние. Следует также отметить, что микроканал 700 можно использовать для создания среди совокупности подобных колебательно-возбужденных молекул, проходящих через выпускное отверстие 750, такой инверсии заселенности в колебательных состояниях, которая пригодна для лазерной генерации.

На фиг.8 показан другой показательный вариант осуществления данного изобретения. Микроканал 800 согласно варианту осуществления данного изобретения имеет такую конфигурацию, в которой использована линейная комбинация показательных вариантов осуществления, изображенных на фиг.5 и 6.

Соответственно, все изложенное относительно вариантов осуществления, показанных на фиг.5 и 6, относится путем ссылки и к нему.

Микроканал 800 содержит впускное отверстие 830 и выпускное отверстие 850. Текучая среда 815, состоящая из составных частиц 810, перемещается по микроканалу 800 в направлении 820. Стенка 805 микроканала 800 прилегает к потоку текучей среды 815. Изображение, соотнесенное с фиг.8, представляет собой поперечный срез микроканала 800, как и на фиг.5 и 6.

Текучая среда 815, которая входит в микроканал 800 через впускное отверстие 830, может перемещаться к выпускному отверстию 850 за счет разности давлений между впускным отверстием 830 и выпускным отверстием 850, причем давление текучей среды 815 во впускном отверстии 830 больше давления текучей среды 815 в выпускном отверстии. Кроме того, стенка 805 и составные частицы 810 имеют такую конфигурацию, что столкновения между составными частицами 810 и стенкой 805, которые происходят внутри микроканала 800, преимущественно сопровождаются зеркальным отскоком.

Если температура текучей среды 815 во впускном отверстии 830 составляет T₁, тогда составные частицы 810 (до поступления в микроканал 800) можно представить в виде распределения скоростей, среднее значение которых пропорционально температуре.

Если горловина впускного отверстия мала (например, составляет от 0,01 мкм ² до 500 мкм², когда текучей средой является воздух), то составная частица 810, поступающая через впускное отверстие 830 в микроканал 800, обычно имеет такую скорость, что ее компонента, параллельная направлению 820, больше компоненты, перпендикулярной направлению 820. Следовательно, текучая среда 815 первоначально приобретает скорость течения, которая преимущественно параллельна направлению 820. Кинетическая энергия, которая соотносится с перемещением текучей среды 815 в направлении 820, покрывается за счет внутренней тепловой энергии текучей среды 815, которой она обладала при температуре T₁ перед поступлением во впускное отверстие 830. Поскольку часть содержавшейся в текучей среде 815 при температуре T₁ тепловой энергии превратилась в кинетическую энергию потока текучей среды 815, для сохранения энергии требуется, чтобы температура текучей среды 815, которую мы обозначим через Т₂, перед областью 845 (о которой речь пойдет ниже) была ниже температуры T₁ (при условии, что она не меняется в зависимости от скорости течения). Если температура Т₂ меньше и температуры (которую мы обозначим через T_w) стенки 805 между впускным отверстием 830 и участком 845 микроканала 800, тогда текучая среда 815 в области между впускным отверстием 830 и участком 845 будет охлаждать материал, в котором образован микроканал 800.

Микроканал 800 согласно варианту осуществления настоящего изобретения имеет также такую конфигурацию, чтобы усиливать воздействие, которое оказывает это изменение температуры на текучую среду 815, тремя путями. В частности, когда стенка 805 и составные частицы 810 имеют такую конфигурацию, что столкновения между стенкой 805 и составными частицами 810 происходят преимущественно с зеркальным отскоком, то такие столкновения - которые являются средством переноса энергии между стенкой 805 и текучей средой 815 - будут оказывать минимальное воздействие на общий поток текучей среды 815. Иначе говоря, когда столкновение между составной частицей 810 и стенкой 805 происходит так, что скорость составной частицы 810 равновероятна в любом направлении от стенки 805 (т.е. наблюдается столкновение без зеркального отскока), тогда множество подобных столкновений будет оказывать замедляющее действие на поток текучей среды 815, которое будет сопровождаться, вероятно, увеличением внутренней температуры текучей среды 815 в области между впускным отверстием 830 и областью 845. Микроканал 800 согласно варианту осуществления данного изобретения имеет такую конфигурацию, чтобы усиливать эффект охлаждения, избирательно устраняя воздействие столкновений без зеркального отскока.

Помимо того, средний свободный пробег между составными частицами 810 в текучей среде 815 обычно возрастает при увеличении расстояния между впускным отверстием 830 и областью 845, поэтому зависимость зеркального рассеяния составных частиц 810 на стенке 805 от длины вдоль микроканала 800 будет, вероятно, способствовать превращению части компоненты скорости, которая была перпендикулярна направлению 820, в компоненту, параллельную направлению 820.

Кроме того, микроканал 800 конструктивно мал (т.е. имеет площадь внутренней поверхности, которая в предпочтительном варианте осуществления составляет приблизительно 6^-10 м² на линейный микрон), поэтому отношение площади поверхности, которой стенка 805 обращена к заданному объему текучей среды 815 в микроканале 800, сравнительно велико (т.е. когда объем текучей среды 815, окруженный стенкой с указанной выше площадью поверхности, составляет примерно 3^-15 м ³ на линейный микрон). Поскольку поверхность, которой стенка 805 обращена к объему текучей среды 815, является основным местом энергообмена между стенкой 805 и текучей средой 815, это приводит к максимальному увеличению общего энергообмена между текучей средой 815 и микроканалом 800.

В области 845 возле выпускного отверстия 850 микроканала 800 текучая среда 815 подвергается перемещению (которое может усиливаться за счет эффекта охлаждения стенки 805 между впускным отверстием 830 и областью 845) параллельно направлению 820. Следовательно, составные частицы 810 текучей среды 815 в области между впускным отверстием 830 и областью 845 будут обладать большей компонентой скорости в направлении 820 (относительно микроканала 800), чем в направлении, перпендикулярном направлению 820.

Но в отличие от области между впускным отверстием 830 и областью 845 стенка 855 микроканала 800 имеет такую конфигурацию, когда поперечное сечение, через которое движется поток, резко уменьшается в выпускном отверстии 850. В области 845, соответственно, зеркальное рассеяние составных частиц 810 на стенке 855 и последующие столкновения между составными частицами 810 в области 845 будет приводить к частичному превращению компоненты скорости, которая была параллельна направлению 820, в компоненту, перпендикулярную направлению 820. Такое превращение энергии потока во внутреннюю кинетическую энергию текучей среды 815 будет приводить к повышению температуры текучей среды 815. Это увеличение происходит на фиг.8 в области 845, прилегающей к выпускному отверстию 850. Соответственно, в области 845 микроканал 800 имеет такую конфигурацию, чтобы энергия потока, соотнесенная с текучей средой 815 между впускным отверстием 830 и областью 845 (которая включает некоторое количество энергии, соотнесенной с охлаждением стенки 805 между впускным отверстием 830 и областью 845), в большей степени превращалась во внутреннюю кинетическую энергию текучей среды 815.

При подобных обстоятельствах может потребоваться обеспечить теплоизоляцию этого участка микроканала 800. Так, например, можно придать участку микроканала 800, прилегающему к выпускному отверстию, такую конфигурацию, чтобы он не передавал тепловую энергию на другие участки микроканала 800. Этот теплоизолированный участок показан на фиг.8 под номером 855. Помимо того, термоэлектрическое устройство 770 может иметь такую конфигурацию, чтобы можно было отводить тепловую энергию, накопившуюся в области 855. Термоэлектрическое устройство 770 может являться, без ограничений, любым коммерчески доступным устройством подобного рода, например изделием фирмы Custom Thermoelectric под номером 1261G-7L31-04CQ.

Если составные частицы 810 текучей среды 815 представляют собой молекулы (а текучая среда 815 представляет собой, например, газ), тогда определенные колебательные состояния составных частиц 810 могут быть заселены в результате увеличения температуры, обеспечиваемого возле выпускного отверстия 850.

Когда такие колебательно-возбужденные молекулы проходят затем через выпускное отверстие 850, то будут испускать, вероятно, электромагнитное излучение, чтобы перейти в более низкое колебательное состояние. Следует также отметить, что микроканал 800 можно использовать для создания среди совокупности подобных колебательно-возбужденных молекул, проходящих через выпускное отверстие 850, такой инверсии заселенности в колебательных состояниях, которая пригодна для лазерной генерации.

На фиг.9 показан другой показательный вариант осуществления данного изобретения. Микроканал 900 согласно варианту осуществления данного изобретения имеет такую конфигурацию, в которой использована линейная комбинация показательных вариантов осуществления, показанных на фиг.7.

Соответственно, все изложенное относительно варианта осуществления, показанного на фиг.7, относится путем ссылки и к нему.

Микроканал 900 содержит впускное отверстие 930 и выпускное отверстие 950. Текучая среда 915 перемещается по микроканалу 900 в направлении 920. Стенка 905 микроканала 900 прилегает к потоку текучей среды 915. Изображение, соотнесенное с фиг.9, представляет собой поперечный срез микроканала 900, как и на фиг.7.

Текучая среда 915, которая входит в микроканал 900 через впускное отверстие 930, может перемещаться к выпускному отверстию 950 за счет разности давлений между впускным отверстием 930 и выпускным отверстием 950, причем давление текучей среды 915 во впускном отверстии 930 больше давления текучей среды 915 в выпускном отверстии. Кроме того, стенка 905 и составные частицы текучей среды 915 имеют такую конфигурацию, что столкновения между составными частицами и стенкой 905, которые происходят внутри микроканала 900, преимущественно сопровождаются зеркальным отскоком.

Как и в случае варианта осуществления, показанного на фиг.7, может потребоваться обеспечить теплоизоляцию тех участков микроканала 900, которые могут нагреваться текучей средой 915. В варианте осуществления, показанном на фиг.9, участки микроканала 900 возле области 965 и выпускного отверстия 950 имеют такую конфигурацию, что они не передают тепловую энергию на другие участки микроканала 900. Эти теплоизолированные участки показаны на фиг.9 под номером 955. Как было сказано выше, термоэлектрическое устройство 770 может иметь такую конфигурацию, чтобы можно было отводить тепловую энергию, накопившуюся в области 955. Термоэлектрическое устройство 770 может являться, без ограничений, любым коммерчески доступным устройством подобного рода, например изделием фирмы Custom Thermoelectric под номером 1261G-7L31-04CQ.

Как было сказано выше, если составные частицы текучей среды 915 представляют собой молекулы (а текучая среда 915 представляет собой, например, газ), тогда определенные колебательные состояния составных частиц могут быть заселены в результате увеличения температуры, обеспечиваемого возле участка 965 и выпускного отверстия 950.

Когда такие колебательно-возбужденные молекулы проходят затем через участок 965 и выпускное отверстие 950, то будут испускать, вероятно, электромагнитное излучение, чтобы перейти в более низкое колебательное состояние. Чтобы использовать электромагнитную энергию, генерируемую в результате такого электромагнитного излучения, можно применять фотоэлектрическое устройство 975. Возле фотоэлектрического устройства 975 микроканал 900 может иметь такую конфигурацию, чтобы быть прозрачным для испускаемого излучения.

На фиг.10 показан иной показательный вариант осуществления данного изобретения. Микроканал 1000 согласно варианту осуществления данного изобретения имеет такую конфигурацию, в которой использована линейная комбинация показательных вариантов осуществления, показанных на фиг.8.

Соответственно, все изложенное относительно варианта осуществления, показанного на фиг.8, относится путем ссылки и к нему.

Микроканал 1000 содержит впускное отверстие 1030 и выпускное отверстие 1050. Текучая среда 1015 перемещается по микроканалу 1000 в направлении 1020. Стенка 1005 микроканала 1000 прилегает к потоку текучей среды 1015. Изображение, соотнесенное с фиг.10, представляет собой поперечный срез микроканала 1000, как и на фиг.8.

Текучая среда 1015, которая входит в микроканал 1000 через впускное отверстие 1030, может перемещаться к выпускному отверстию 1050 за счет разности давлений между впускным отверстием 1030 и выпускным отверстием 1050, причем давление текучей среды 1015 во впускном отверстии 1030 больше давления текучей среды 1015 в выпускном отверстии. Кроме того, стенка 1005 и составные частицы текучей среды 1015 имеют такую конфигурацию, что столкновения между составными частицами и стенкой 1005, которые происходят внутри микроканала 1000, преимущественно сопровождаются зеркальным отскоком.

Как и в случае варианта осуществления, показанного на фиг.8, может потребоваться обеспечить теплоизоляцию тех участков микроканала 1000, которые могут нагреваться текучей средой 1015. В варианте осуществления, показанном на фиг.10, участки микроканала 1000 возле области 1065 и выпускного отверстия 1050 имеют такую конфигурацию, что они не передают тепловую энергию на другие участки микроканала 1000. Эти теплоизолированные участки показаны на фиг.10 под номером 1055. Как было сказано выше, термоэлектрическое устройство 770 может иметь такую конфигурацию, чтобы можно было отводить тепловую энергию, накопившуюся в области 1055. Термоэлектрическое устройство 770 может являться, без ограничений, любым коммерчески доступным устройством подобного рода, например изделием фирмы Custom Thermoelectric под номером 1261G-7L31-04CQ.

Как было сказано выше, если составные частицы текучей среды 1015 представляют собой молекулы (а текучая среда 1015 представляет собой, например, газ), тогда определенные колебательные состояния составных частиц могут быть заселены в результате увеличения температуры, обеспечиваемого возле участка 1065 и выпускного отверстия 1050.

Когда такие колебательно-возбужденные молекулы проходят затем через область 1065 и выпускное отверстие 1050, то будут испускать, вероятно, электромагнитное излучение, чтобы перейти в более низкое колебательное состояние. Чтобы использовать электромагнитную энергию, генерируемую в результате такого электромагнитного излучения, можно применять фотоэлектрическое устройство 975. Возле фотоэлектрического устройства 975 микроканал 1000 может иметь такую конфигурацию, чтобы быть прозрачным для испускаемого излучения.

На фиг.11 показан другой показательный вариант осуществления данного изобретения. Микроканал 1100 согласно варианту осуществления данного изобретения имеет такую конфигурацию, в которой использована параллельная комбинация показательных вариантов осуществления, показанных на фиг.1. Соответственно, все изложенное относительно варианта осуществления, показанного на фиг.1, относится путем ссылки и к нему. В варианте осуществления, показанном на фиг.11, текучая среда входит через впускные отверстия ИЗО и выходит через выпускные отверстия 1150.

На фиг.12 показан иной показательный вариант осуществления данного изобретения. Микроканал 1200 согласно варианту осуществления данного изобретения имеет такую конфигурацию, в которой использована параллельная комбинация показательных вариантов осуществления, показанных на фиг.4. Соответственно, все изложенное относительно варианта осуществления, показанного на фиг.4, относится путем ссылки и к нему. В варианте осуществления, показанном на фиг.12, текучая среда входит через впускные отверстия 1230 и выходит через выпускные отверстия 1250.

На фиг.13 показан другой показательный вариант осуществления данного изобретения. Микроканал 1300 согласно варианту осуществления данного изобретения имеет такую конфигурацию, в которой использована параллельная комбинация показательных вариантов осуществления, показанных на фиг.5. Соответственно, все изложенное относительно варианта осуществления, показанного на фиг.5, относится путем ссылки и к нему. В варианте осуществления, показанном на фиг.13, текучая среда входит через впускные отверстия 1330 и выходит через выпускные отверстия 1350.

На фиг.14 показан другой показательный вариант осуществления данного изобретения. Микроканал 1400 согласно варианту осуществления данного изобретения имеет такую конфигурацию, в которой использована параллельная комбинация показательных вариантов осуществления, показанных на фиг.6. Соответственно, все изложенное относительно варианта осуществления, показанного на фиг.6, относится путем ссылки и к нему. В варианте осуществления, показанном на фиг.14, текучая среда входит через впускные отверстия 1430 и выходит через выпускные отверстия 1450.

На фиг.15 показан иной показательный вариант осуществления данного изобретения. Микроканал 1500 согласно варианту осуществления данного изобретения имеет такую конфигурацию, в которой использована параллельная комбинация показательных вариантов осуществления, показанных на фиг.7. Соответственно, все изложенное относительно варианта осуществления, показанного на фиг.7, относится путем ссылки и к нему. В варианте осуществления, показанном на фиг.15, участки микроканала 1500, обозначенные на фиг.15 как область 1555, могут быть теплоизолированы от остальных участков.

На фиг.16 показан другой показательный вариант осуществления данного изобретения. Микроканал 1600 согласно варианту осуществления данного изобретения имеет такую конфигурацию, в которой использована параллельная комбинация показательных вариантов осуществления, показанных на фиг.8. Соответственно, все изложенное относительно варианта осуществления, показанного на фиг.8, относится путем ссылки и к нему. В варианте осуществления, показанном на фиг.16, участки микроканала 1600, обозначенные на фиг.16 как область 1655, могут быть теплоизолированы от остальных участков.

На фиг.17 показан иной показательный вариант осуществления данного изобретения. Микроканал 1700 согласно варианту осуществления данного изобретения имеет такую конфигурацию, в которой использована параллельная комбинация показательных вариантов осуществления, показанных на фиг.9. Соответственно, все изложенное относительно варианта осуществления, показанного на фиг.9, относится путем ссылки и к нему. В варианте осуществления, показанном на фиг.17, участки микроканала 1700, обозначенные на фиг.17 как область 1755, могут быть теплоизолированы от остальных участков.

На фиг.18 показан другой показательный вариант осуществления данного изобретения. Микроканал 1800 согласно варианту осуществления данного изобретения имеет такую конфигурацию, в которой использована параллельная комбинация показательных вариантов осуществления, показанных на фиг.10. Соответственно, все изложенное относительно варианта осуществления, показанного на фиг.10, относится путем ссылки и к нему. В варианте осуществления, показанном на фиг.18, участки микроканала 1800, обозначенные на фиг.18 как область 1855, могут быть теплоизолированы от остальных участков.

Краткое изложение полученных экспериментальных данных

Мы проводили измерения на устройстве согласно данному изобретению. Это устройство представляет собой МЭМС устройство размера 30×30×1 мм, содержащее 100 параллельных микроканалов. Каждый микроканал содержит впускное отверстие с горловиной, которая сужена примерно до 10×10 мкм. Горловина открыта для доступа газа (воздуха) из источника и имеет маленькое поперечное сечение, чтобы ограничивать массовый расход газа. Горловина также коротка (в направлении течения), чтобы допускать звуковую скорость газового потока. Расстояние между впускным отверстием и выпускным отверстием составляет около 30 мм. Он имеет такую конфигурацию, чтобы обеспечивать большое количество столкновений между молекулами, входящими в микроканал из источника газа, и стенкой микроканала.

Участок стенки каждого канала, прилегающий к потоку газа, изготовлен из твердого, плотного, высокоплавкого материала. В устройстве, использовавшемся для измерений, был использован вольфрам. Вольфрам был осажден методами, использующимися для производства МЭМС, чтобы сделать поверхность в целом ровной. Хотя стенки микроканалов этого устройства были изготовлены из вольфрама, остальной материал позади вольфрама (выбранный, чтобы обеспечить низкое тепловое сопротивление) представлял собой медь. В устройстве, использовавшемся для измерений, микроканалы и их стенки были образованы следующим образом. На слой кремния, нанесенного на обычную пластину (такую, как пластины с односторонней полировкой), напыляли слой вольфрама. Затем на слой вольфрама наносили фотомаску, чтобы образовать фоторезистный слой, состоящий из ряда рельефных каналов. Размеры каждого рельефного канала соответствуют размерам микроканала. Затем на пластину с кремниевой подложкой напыляли вольфрам, наносили слой вольфрама и слой фоторезистных каналов. Потом на слой вольфрама напыляли медь, а на напыленный слой меди наносили электролитическим способом еще один слой меди. Разрезав пластину на куски требуемого размера (в данном случае на квадратные куски 30×30 мм), удаляли фоторезист, используя ацетоновую ультразвуковую ванну. В описанной выше технологической последовательности вместо кремниевой подложки можно использовать медную подложку, чтобы улучшить теплопроводные свойства устройства.

Согласно настоящему изобретению геометрический профиль и материалы, использовавшиеся для создания горловины во впускном отверстии и поверхности стенок микроканального устройства, выбирали такими, чтобы обеспечить и зеркальное взаимодействие между молекулами воздуха и сравнительно ровной поверхностью вольфрама, и превращение определенной части внутренней тепловой энергии воздуха и тепловой энергии микроканала в скорость потока воздуха, проходящего через микроканал.

Было показано, что столкновения между молекулами газа и поверхностью различных материалов (например, золота, меди, кремния, вольфрама и свинца) сопровождаются зеркальным отскоком.

Материал, окружающий микроканал (т.е. медь в устройстве, использованном для измерений), был выбран, чтобы обеспечивать хорошую теплопередачу между окружающим воздухом и поверхностью микроканала и его горловиной. Обычно подходящими материалами являются такие, которые имеют большой коэффициент теплопроводности и которые обеспечивают конструктивную целостность устройства как в воздушной среде, так и в среде с пониженным давлением.

Как оказалось, эффективность использования устройства согласно данному изобретению для охлаждения может зависеть от свойств поверхности, по которой движется текучая среда и с которой она сталкивается. Так, например, предпочтительной поверхностью согласно данному изобретению является сравнительно ровная поверхность, чтобы можно было надеяться, что столкновения между составными частицами текучей среды и стенками будут оказывать минимальное влияние на внутреннюю скорость составных частиц текучей среды в направлении ее течения. В этом смысле, чем более «зеркалоподобна» стенка микроканала в случайном столкновении с составными частицами текучей среды, тем больше вероятность переноса тепловой энергии от микроканала текучей среде и наоборот.

Считается, что зеркальность стенки микроканала может испытывать влияние со стороны состава материала. Так, например, когда текучей средой является газ, считают, что степень, в которой столкновения газа с поверхностью сопровождаются зеркальным отскоком, возрастает, если микроканалы созданы в очень твердых материалах с высокой температурой плавления, таких как вольфрам или алмаз. Соответственно, когда добиваются высокой скорости теплопередачи между текучей средой и микроканалом, то в качестве материала непосредственно позади стенок микроканал и для любых окружающих структур можно использовать материалы с высокой теплопроводностью.

Соответственно, считают, что скорость, с которой энергия поглощается потоком газа из окружающей среды, пропорциональная скорости, с которой происходят теплопередающие столкновения с поверхностью. А еще считают, что эту скорость можно увеличивать в микроканалах, максимально увеличивая площадь поверхности, соприкасающейся с текущим газом. Следовательно, микроканалы МЭМС по сути обеспечивают высокое отношение площади поверхности к объему потока и могут обладать макроскопической длиной при изготовлении существующими способами производства.

Кроме того, считают, что эффективность действия этого устройства пропорциональна эффективной разности температур между текучей средой и стенкой микроканала. Эффективная температура текучей среды тем ниже, чем больше начальной кинетической энергии текучей среды было израсходовано на перемещение текучей среды по микроканалу. Поскольку кинетическая энергия изменяется пропорционально квадрату скорости, считается, что эта разность температур пропорциональна квадрату скорости перемещения текучей среды по каналу. Иначе говоря, линейное увеличение скорости течения приводит к непропорционально большему увеличению количества энергии, поглощенной путем столкновений.

Для обеспечения звуковой осевой скорости потока на входе в это устройство, можно использовать создание горловины в виде сопла или придание ей соплообразной геометрической формы. Как известно сведущим в данной области скорости течения через горловину сопла или высокоскоростную насадку являются звуковыми до тех пор, пока отношение давлений на высоконапорном и низконапорном концах микроканалов остается ниже критического значения, которое составляет для воздуха 0,528.

При комнатной температуре молекулы газа (такого как воздух) имеют скорость около 500 м/с и температуру (около 300 К), которая пропорциональна квадрату скорости. Когда газ подвергается перемещению со звуковой скоростью или 340 м/с, эффективная температура, при которой предполагается полный зеркальный отскок, уменьшается до:

300 К-300 К*((340 м/с*340 м/с)/(500 м/с*500 м/с))=162 К.

Из этого расчета следует, что звуковая скорость газа обеспечивает достаточно низкую эффективную температуру, чтобы достичь поглощения энергии из стенок микроканала в устройстве на воздухе при комнатной температуре.

Другим преимуществом звуковой скорости на входе является то, что многие обычные поршневые насосы обеспечивают очень высокую производительность при этом отношении давлений.

Однако скорости поглощения энергии, обеспечиваемые перемещением со звуковой скоростью, были превышены из-за устойчивости процесса межмолекулярных столкновений и асимметричности скоростей столкновений. Процессы столкновения непрерывно превращают часть энергии случайного перемещения текучей среды в энергию направленного перемещения вдоль микроканалов. Хотя прирост начинается со звуковой скорости, она возрастает до сверхзвуковых значений, поскольку энергия непрерывно подается с поверхности микроканалов в отскакивающие молекулы газа, а затем преобразуется в скорость потока, движущегося вдоль микроканала. Этот процесс непрерывного превращения энергии значительно увеличивает количество энергии, поглощенной каждой молекулой газа. Мы рассчитали, что в устройствах длиной 3 см скорость на выходе достигает 2000 м/с, если на входе скорость имеет значение 4 м/с. Среднее значение кинетической энергии, поглощенной из окружающей среды каждой молекулой, оказалось примерно в одиннадцать раз больше начальной кинетической энергии молекулы газа. Это количество поглощенной энергии примерно в 3 раза больше средней энергии, поглощенной при испарении молекулы хладоагента в типовой компрессионной холодильной системе.

Наиболее эффективное энергопоглощающее устройство будет обеспечивать высокую скорость межмолекулярных столкновений и поддерживать асимметрию скоростей столкновения по всему устройству. Одним из способов достижения такой комбинации условий является использование архитектуры расходящихся микроканалов, когда поперечное сечение потока возрастает от горловины микроканала в его впускном отверстии в направлении его выхода через выпускное отверстие. Скорость изменения поперечного сечения канала зависит от состава газа, скорости теплопереноса вдоль поверхности микроканала, степени, в которой столкновения с поверхностью сопровождаются зеркальным отскоком, и от осевой скорости течения в каждой точке по длине микроканала.

Другим преимуществом геометрии расходящихся микроканалов является то, что плотность газа постепенно падает до все меньших значений вдоль поверхности микроканалов. Понижение плотности газа ослабляет граничные эффекты и усиливает перенос энергии за каждое столкновение. Уменьшение толщины граничного слоя вдоль поверхности микроканалов или статора устройства проявлялось в значительном снижении температуры поверхности в работающем устройстве.

Продемонстрированное поглощение энергии из воздуха комнатной температуры и соразмерное понижение температуры устройства согласно проведенным расчетам оказалось в 4.130 раз больше понижения, которое могло быть обусловлено эффектом Джоуля - Томсона при том же самом падении давления величиной 1 атм вдоль микроканалов устройства.

С помощью использовавшего для измерений устройства было продемонстрировано увеличение скорости молекул воздуха от 4 м/с до более 2.000 м/с в устройстве МЭМС, содержащем множество параллельно расположенных микроканалов длиной 30 мм. Температура подаваемого воздуха составляла 296 К. Скорость воздуха на выходе достигала примерно 2.000 м/с. В среднем при перемещения по микроканалу длиной 30 мм молекула испытывала увеличение своего начального значения кинетической энергии в одиннадцать раз. Энергию увеличения скорости можно отвести от увеличившей свою скорость молекулы без какого-либо уменьшения массы потока на входе в устройство.

Широко известно, что когерентное и некогерентное излучение света в газе происходит с квантовым уменьшением колебательно-кинетической энергии атома или молекулы. Предварительным условием является нахождение атома или молекулы газа на определенном колебательно-энергетическом уровне перед тем как уменьшать ее, чтобы обеспечить испускание фотона. Одним из методов достижения необходимого колебательного уровня является разгон атома или молекулы до достаточно высокой скорости с последующим столкновением. Столкновение превращает некоторую часть энергии поступательного движения атома в требуемое высокое колебательно-энергетическое состояние. Остальная часть энергии поступательного движения позволяет атому продолжать перемещение, если частота столкновение недостаточно велика, чтобы колебательная мода достигла своей точки релаксации и испустила фотон. Газообразную двуокись углерода в СО₂-лазере обычно нагревают до 500 К в распределении Максвелла-Больцмана, чтобы достигнуть высокого колебательно-энергетического уровня, требуемого для излучения. Затем газ подвергается релаксации, чтобы создать условия для излучения.

Энергопоглотительное устройство продемонстрировало свою способность увеличивать температуру молекул воздуха от среднего комнатного значения 300 К до более чем 4000 К, т.е. более высокой температуры, чем требуется для обеспечения излучения у множества газов.

Одна из таких конструкций согласно настоящему изобретению достигает требуемого поступательно-энергетического и колебательно-энергетического уровней, обеспечивая сначала уменьшение поперечного сечения потока, чтобы увеличить частоту межмолекулярных столкновений, а следовательно, и колебательную энергию, а затем обеспечивая увеличение поперечного сечения, чтобы уменьшить частоту межмолекулярных столкновений, создать условия для квантовой релаксации, которая приводит к последующему излучению фотонов.

Энергия увеличения скорости может быть также поглощена термоэлектрическим устройством. Было показано, что разогнанные молекулы газа с углом атаки относительно нормали к поверхности менее 45 градусов увеличивают температуру поверхности. Термоэлектрические устройства с тепловым каналом к таким нагретым поверхностям можно использовать для поглощения энергии увеличения скорости и превращения тепла в электричество.

Аналогичным образом уменьшение и увеличение поперечного сечения потока можно использовать, чтобы обеспечить подачу энергии для протекания реакций в газах. Протекание химических реакций между газами в потоке газообразных или негазообразных материалов в микроканалах можно обеспечить путем увеличения скорости газа таким устройством и путем изменения энергетической моды в результате увеличения и уменьшения поперечного сечения потока.

Было также продемонстрировано накопление энергии, достаточной для излучения фотона и образования плазмы. Излучение фотонов можно также облегчить путем использования газовых смесей, содержащих компоненты, молекулярная структура которых способствует излучению на требуемых энергетических уровнях и длинах волн.

Перенос энергии от стенок микроканала в поток приводит к уменьшению температуры на поверхности микроканала и в окружающем материале. Этот эффект охлаждения позволяет использовать устройство для замораживания. Был продемонстрирован микроканал с эффективной температурой газового потока гораздо ниже 100 К при использовании в качестве исходного газа воздуха с комнатной температурой 296 К и создании сверхзвукового потока в микроканалах.

Было продемонстрировано, как высокоэнергетический поток в микроканалах энергопоглощающего устройства производит мгновенное испарение жидкости для дополнительного усиления эффекта охлаждения. Высокоскоростной поток газа над поверхностью жидкости обеспечивает резкое понижение давления в перпендикулярном направлении, которое приводит к быстрому испарению.

Поглощение энергии увеличивается сильнее, чем прямо пропорционально увеличению скорости потока. Таким же образом скорость газа будет и дальше увеличиваться при поглощении газом дополнительного количества энергии из окружающей среды.

Увеличение скорости течения газа через множество последовательно соединенных рядов микроканалов было продемонстрировано с помощью МЭМС-устройства. Полученные результаты показали, что можно транспортировать газы со звуковой скоростью на расстояние без потерь скорости за счет трения. Такая конфигурация будет состоять из одиночного насоса достаточной производительности, чтобы создавать необходимое низкое давление с выпускной стороны при низкой скорости, равной удельному массовому расходу в отверстии на входе в ряд микроканалов. Преимущество перед известным уровнем техники заключается в том, что не нужно устанавливать дополнительные насосы между рядами, чтобы компенсировать потери на трение. Помимо того, энергию увеличения скорости можно поглощать с целью превращения в электричество по всей длине микроканального устройства.

Поверхности, используемые для поглощения энергии из потока газа в виде тепла, можно использовать для нагревания другого газа, жидкости или твердого вещества, находящегося в тепловом контакте с поверхностью, подвергаемой столкновениям. Эта поверхность, подвергаемая столкновениям, может иметь такую конструкцию, чтобы она удаляла из потока газа лишь энергию предыдущего увеличения скорости. Оставшаяся энергия потока позволяет продолжать перемещение со звуковой скоростью или еще большей скоростью.

Материалы и компоненты согласно настоящему изобретению, такие как показательное устройство, описанное выше, обеспечивают решение всех проблем, которые были выявлены.

Другие варианты осуществления изобретения будут очевидны для сведущих в данной области техники из описания и изложенного здесь практического использования изобретения. Понятно, что описание и варианты осуществления следует считать всего лишь поясняющими, но не ограничивающими сущность и объем изобретения, изложенных в следующих пунктах формулы.