CN102227371A - 用于控制流体温度和流动的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

符合本发明的材料、组件、和方法涉及具有流体的微尺度沟槽的制造和使用，其中所述流体的温度和流动至少部分地通过所述微尺度沟槽的几何形状和所述微尺度沟槽的壁的至少一部分的构型以及构成所述流体的组分粒子来控制。此外，所述微尺度沟槽的壁和所述组分粒子被构造为使得所述组分粒子和所述壁之间的碰撞为基本上镜面的。

Description

用于控制流体温度和流动的方法和设备
发明描述
本专利申请要求2008年09月30日提交的美国临时专利申请号61/101,227的优先权，该专利申请的内容以引用方式并入本文中。
技术领域
符合本发明的材料、组件、和方法涉及具有流体的微尺度沟槽的制造和使用，其中流体的温度和流动至少部分地通过沟槽的几何形状和沟槽壁的至少一部分的构型以及构成流体的组分粒子控制。
背景技术
一定体积的流体(例如空气)的特征可为温度和压力。当将一定体积的流体考虑为包括(例如)氧气和氮气分子的组分粒子的集合时，其在给定温度下的特征也可为组分粒子速度的分布。此分布的特征通常可为平均速度，据理解该平均速度与流体(如气体)的温度具有关系。
因此，流体的内部热能为涉及加热、冷却、和产生流体流动的应用提供能量源。一种利用流体(例如气体)的内部热能的方式描述于美国专利号7,008,176和6,932,564中，上述专利全文以引用方式并入本文中。
当利用流体(例如气体)的内部热能的装置通过下述方式工作时，即基于使用移动部件选择粒子移动方向或其速度从而来选择流体的组分粒子，则存在下述需要，即可控制流体速度和温度、但不是基于这种移动部件的方法和装置。
因此，本发明的主要目标是为下述系统和方法提供解决方案，所述系统和方法受益于流体的冷却、加热、和/或流动控制但基于不依靠移动部件的原理工作。
这是通过制造和凭借采用一个或多个微尺度沟槽(微沟槽摂)的系统来实现的，所述微尺度沟槽被构造用于适应流体的流动，并且其中流体内的组分粒子被构造为使得组分粒子和微沟槽壁之间的碰撞为基本上镜面的。
发明概述
符合本发明的示例性微沟槽被构造具有彼此流体连通的流入开口和流出开口。
如本文所用，微沟槽的“横截面”是指微沟槽的下述特征面，其基本上垂直于由穿过微沟槽的流体的总体流动定义的方向。
如本文所用，微沟槽的“喉部”是指微沟槽在其横截面中具有局部最小值的部分。应当注意，对于一个微沟槽，可存在多个喉部。
在符合本发明的一个实施例中，微沟槽的流入开口被构造为微沟槽的喉部，并且微沟槽的壁被构造为提供下述微沟槽，所述微沟槽在沿流体流动的方向上具有逐渐连续性增大的横截面。在此示例性实施例中(其中(例如)流体为空气)，流入开口优选为100μm^2并且可为0.01μm^2至500μm^2范围内的任何值。此外，流出开口优选为3000μm^2并且可为0.1μm^2至50,000μm^2范围内的任何值。微沟槽的壁的长度(即，微沟槽的流入开口和流出开口之间的线性距离)优选为30mm并且可为0.01mm至10米范围内的任何值。在符合本发明的另一个实施例中，流入开口和流出开口的尺寸(以及横截面随长度变化的尺寸)可与刚才所论述的相颠倒。例如，流入开口优选为3000μm^2并且可为0.1μm^2至50,000μm^2范围内的任何值，并且流出开口优选为100μm^2并且可为0.01μm^2至500μm^2范围内的任何值。
在符合本发明的另一个实施例中，微沟槽的流入开口被构造为微沟槽的喉部，并且微沟槽的壁被构造为提供下述微沟槽，所述微沟槽具有在喉部附近急剧增大的横截面以及随后沿流体流动方向基本上固定的横截面。在此示例性实施例中(其中(例如)流体为空气)，流入开口优选为100μm^2并且可为0.01μm^2至500μm^2范围内的任何值。此流入开口在扩展为较大的、基本上恒定的开口之前的示例性长度可为大约500μm。此外，流出开口优选为3000μm^2并且可为0.1μm^2至50,000μm^2范围内的任何值。微沟槽的壁的长度(即，微沟槽的流入开口和流出开口之间的线性距离)优选为30mm并且可为0.01mm至50米范围内的任何值。在符合本发明的另一个实施例中，流入开口和流出开口的尺寸(以及横截面随长度变化的尺寸)可与刚才所论述的相颠倒。例如，流入开口优选为3000μm^2并且可为0.1μm^2至50,000μm^2范围内的任何值，并且流出开口优选为100μm^2并且可为0.01μm^2至500μm^2范围内的任何值。
在符合本发明的另一个实施例中，微沟槽的流入开口和流出开口均被构造为微沟槽的喉部(即，在横截面中表现局部最小值)，并且微沟槽的壁被构造为提供下述微沟槽，所述微沟槽具有沿流体流动方向逐渐连续性增加至最大值-优选为流入开口和流出开口之间的中间位置-的横截面以及随后沿流体流动方向逐渐连续性减小至流出开口处的局部最小值的横截面。在此示例性实施例中(其中(例如)流体为空气)，流入开口和流出开口优选为100μm^2并且可为0.01μm^2至500μm^2范围内的任何值。流入开口和流出开口之间的横截面的最大值优选为3000μm^2并且可为0.1μm^2至50,000μm^2范围内的任何值。微沟槽的壁的长度(即，微沟槽的流入开口和流出开口之间的线性距离)优选为30mm并且可为0.02mm至100米范围内的任何值。
在符合本发明的另一个实施例中，微构造的流入开口和流出开口均被构造为微沟槽的喉部，并且微构造的壁被构造为提供下述微沟槽，所述微沟槽具有在流入开口处的喉部附近急剧增大的横截面、沿流体流动方向基本上固定的横截面、以及随后在流出开口处的喉部附近急剧减小的横截面。在此示例性实施例中(其中(例如)流体为空气)，流入开口和流出开口优选为100μm^2并且可为0.01μm^2至500μm^2范围内的任何值。流入开口和流出开口之间的横截面的最大值优选为3000μm^2并且可为0.1μm^2至50,000μm^2范围内的任何值。微沟槽的壁的长度(即，微沟槽的流入开口和流出开口之间的线性距离)优选为30mm并且可为0.02mm至100米范围内的任何值。这种流入开口和流出开口的示例性长度(在其扩展为较大的、基本上恒定的横截面之前)可为大约500μm。
在符合本发明的另一个实施例中，上述微沟槽段中的任何一个(第一微沟槽段)可被构造为与另一个微沟槽段(第二微沟槽段)流体连通，例如将第一微沟槽的流出开口构造直接与第二微沟槽的流入开口流体连通。此外，第一微沟槽段和第二微沟槽段可被构造为提供随微沟槽长度具有相似或基本上相似的壁形状和尺寸、和相似或基本上相似的喉部尺寸的横截面。
此外，在符合本发明的另一个实施例中，上述微沟槽段中的任何一个(第一微沟槽段)可被构造为提供基本上平行于另一个微沟槽段(第二微沟槽段)的微沟槽，例如将第一微沟槽段和第二微沟槽段的流入开口构造为彼此流体连通，并且将第一微沟槽段和第二微沟槽段的流出开口构造为彼此流体连通。此外，第一微沟槽段和第二微沟槽段可被构造为提供随微沟槽长度具有相似或基本上相似的壁形状和尺寸、以及相似或基本上相似的喉部尺寸的横截面。
另外，操纵一定体积的流体(其中流体包括分子)的流动和温度允许通过提高一定体积的流体的加热来产生分子群振动。当允许这些振动激发分子弛豫时，则符合本发明的方法和系统允许产生和操纵由此发出的电磁辐射。
此外，操纵一定体积的流体的流动和温度提供大量的实际应用，包括加热和冷却、冷冻、发电、相干和非相干光的发射、气体抽运、等离子体和粒子束的产生、粒子束加速、化学过程等等。
本发明的其他目标和优点将部分地阐述于随后的发明详述中，并且部分地通过发明详述将变得显而易见，或者可通过本发明的实施得以理解。本发明的目标和优点将通过所附权利要求书中具体指出的元件和制品来实现和达到。
应当理解，上述发明概述和下述发明详述均仅为示例性和解释性的，并非限制受权利要求书保护的本发明。
引入到本说明书中并且构成其一部分的附图图示说明本发明的实施例，并且与发明详述一起用解释本发明的原理。
附图简述
图1为符合本发明的一个实施例的横截面视图；
图2为符合本发明和示于(例如)图1、4、5、和6中的实施例的三个横截面形状的选择性视图；
图3为符合本发明的镜面碰撞的示例性图示；
图4示出了符合本发明的微沟槽的另一个实施例；
图5示出了符合本发明的微沟槽的另一个实施例；
图6示出了符合本发明的另一个实施例；
图7示出了符合本发明的利用符合图1和4的实施例的串联构型的实施例；
图8示出了符合本发明的利用符合图5和6的实施例的串联构型的实施例；
图9示出了符合本发明的利用符合图7的实施例的串联构型的实施例；
图10示出了符合本发明的利用符合图8的实施例的串联构型的实施例；
图11示出了符合本发明的利用符合图1的实施例的并联构型的实施例；
图12示出了符合本发明的利用符合图4的实施例的并联构型的实施例；
图13示出了符合本发明的利用符合图5的实施例的并联构型的实施例；
图14示出了符合本发明的利用符合图6的实施例的并联构型的实施例；
图15示出了符合本发明的利用符合图7的实施例的并联构型的实施例；
图16示出了符合本发明的利用符合图8的实施例的并联构型的实施例；
图17示出了符合本发明的利用符合图9的实施例的并联构型的实施例；
图18示出了符合本发明的利用符合图10的实施例的并联构型的实施例。
发明详述
现在将详细参见本发明的实施例(示例性实施例)，其特征示于附图中。在遍及附图的任何可能位置处，相同的附图标记将用于指相同或类似的部件。
图1示出了符合本发明的示例性实施例的视图。图1示出了符合本发明的示例性实施例的视图。微沟槽100包括流入开口130和流出开口150。包含组分粒子110的流体115沿方向120流过微沟槽100。微沟槽100的壁105邻近流动的流体115。与图1相关的视图为符合本发明的微沟槽100的横截切面视图。符合本发明的微沟槽100的其他示例性横截面视图示于图2中，并且表示代表符合切面135(示于图1中)的示例性视图。例如，流入开口130、区域140、和流出开口150的横截面可为方形101、圆形102、矩形103、或与有界二维图形有关的任何其他形状中的任何一种。
再次参见图1，可使用流入开口130和流出开口150之间的压差促使流体115沿方向120流过微沟槽100。此外，壁105和组分粒子110被构造为使得组分粒子110和微沟槽100内部(其中内部区域通常由区域140表示)的壁105之间的碰撞为基本上镜面的。镜面碰撞以示例性方式更详细地示于图3中。
图3更详细地示出了图1的一部分。具体地讲，箭头325表示在组分粒子110与壁105碰撞之前的组分粒子110的速度分量。法线305表示垂直于由壁105定义的平面的轴线。箭头335表示在组分粒子110与壁105碰撞之后的组分粒子110的速度分量。如本文所用，组分粒子110和壁105之间的镜面碰撞为其中组分粒子110的平行于壁105的平面的速度分量在碰撞之前和之后为基本上相同的。此外，在镜面碰撞期间，组分粒子110的与垂直于壁105的平面的速度分量相关的速度可在碰撞之前和之前基本上相同。本领域的技术人员应当理解，如本文所用的“镜面碰撞”不应当解释为仅适用于弹性碰撞。然而，由于在微沟槽的壁105和多个组分粒子110之间将存在能量转移(一般来说)，应当理解组分粒子110和壁105之间的任何一种特定镜面碰撞均可增加或降低组分粒子110的动能(相对其在碰撞之前具有的动能)。例如，如果能量从壁105转移至组分粒子110，则将会预期到在碰撞之后，组分粒子110和平行于壁105的平面之间的锐角将大于碰撞之前的锐角。同样，如果能量从组分粒子110转移至壁105，则将会预期到在碰撞之后，组分粒子110和平行于壁105的平面之间的锐角将小于碰撞之前的锐角。此外，如果包含多个组分粒子的流体的温度不同于壁的温度，则可预期到内能从流体转移至壁、或从壁转移至流体(取决于何者处于较高温度)。如果多个组分粒子110和壁105之间的碰撞为如本文所用的基本上镜面的，则可预期到能量从流体115转移至壁105或从壁105转移至流体115主要是通过组分粒子110的速度的平均变化产生的，所述组分粒子的速度的平均变化与其在碰撞期间垂直于壁105的平面的速度分量的变化相关。另外应当理解，组分粒子110在碰撞期间的这种速度分量变化将因碰撞过程而改变组分粒子110的整体速度。
返回图1，可通过在流入开口130和流出开口150之间使用压差，使得通过流入开口130进入微沟槽100的流体115流至流出开口150，其中流体115在流入开口130处的压力高于流体115在流出开口处的压力。如果流体115在流入开口130处的温度为T1，则组分粒子110(在进入区域140之前)可表示为平均速度与温度成比例的速度分布。
如果流入开口的喉部较小(例如，0.01μm^2至500μm^2的任何值，其中流体为空气)，则穿过流入开口130进入区域140的组分粒子110通常将具有下述速度，其平行于方向120的分量大于其垂直于方向120的分量。因此，流体115获得主要平行于方向120的流动速度。与流体115沿方向120流动相关的动能得自流体115的内部热能，所述流体在其进入流入开口130之前处于T1下。能量守恒指示，由于流体115在T1下的初始热能的一部分已转换成流体115流动的动能，则流体115(流动速度固定的框架中)在区域140中的温度(其将被指定为T2)低于T1。如果T2还低于微沟槽100的壁105的温度(其被指定为Tw)，则区域140中的流体115将用于冷却包括微沟槽100的材料。
符合本发明的实施例的微沟槽100被构造用于以至少三种方式增加此温度变化对流体115的影响。具体地讲，如果壁105和组分粒子110被构造为使得壁105和组分粒子110之间的碰撞为基本上镜面的，则这种碰撞-其为壁105和流体115之间的能量转移方式-将对流体115的整体流动具有最小的影响。换句话讲，如果组分粒子110和壁105之间的碰撞使得组分粒子110的速度等可能地处于远离壁105的任何方向中(即，非镜面碰撞)，则多个这种碰撞将具有降低流体115流动的效果，这也将可能具有增加流体115在区域140中的内部温度的效果。符合本发明的实施例的微沟槽100被构造用于通过选择性地避免非镜面碰撞的影响来增加冷却效果。
另外，由于微沟槽100的壁105被构造为提供逐渐增大的横截面，流体115通过所述横截面产生流动，组分粒子110远离壁105的镜面散射将会把垂直于方向120的速度分量的一部分转换成平行于方向120的分量。
此外，由于微沟槽100被设计为小型的(即，在优选实施例中具有可低至大约3e-11m^2/线性微米至6e-10m^2/线性微米的内部表面积)，则通过壁105提供的表面积相对区域140中流体115的给定体积的比率相对较大(即，其中由上述表面封闭的流体115的体积为大约8e-17m^3/线性微米至3e-15m^3/线性微米)。由于通过壁105提供的相对流体115的体积的表面积为壁105和流体115之间的主要能量交换方式，因此这种方式使得流体115和微沟槽100之间的总能量交换相互作用达到最大。
图4示出了符合本发明的另一个示例性实施例的视图。微沟槽400包括流入开口430和流出开口450。包含组分粒子410的流体415沿方向420流过微沟槽400。微沟槽400的壁405邻近流动的流体415。与图4相关的视图为为符合本发明的微沟槽400的横截切面视图。如此前结合微沟槽100所述，符合本发明的微沟槽400的其他示例性横截面视图示于图2中，并且代表符合切面135(在该情况下，示于图4中)的示例性视图。例如，流入开口430、区域440、和流出开口450的横截面可为方形101、圆形102、矩形103、或与有界二维图形有关的任何其他形状中的任何一种。
再次参见图4，可使用流入开口430和流出开口450之间的压差促使流体415沿方向420流过微沟槽400。此外，壁405和组分粒子410被构造为使得组分粒子410和微沟槽400内部(其中内部区域通常由区域440表示)的壁405之间的碰撞为基本上镜面的。
可利用下述方式促使通过流入开口430进入微沟槽400的流体415流至流出开口450，所述方式为(例如)在位于流入开口430处的流体415上进行工作以产生沿位于流出开口450取向中的方向420的流动(并且其中(例如)流体415在流入开口430处的压力高于流体415在流出开口处的压力)。如果流体415在流入开口430处的温度为T1，则组分粒子410(在进入区域440之前)可表示为平均速度与温度成比例的速度分布。
在图4所考虑的实施例中，据认为流体415的诱发流动平行于方向420。因此，流体415中的组分粒子410在方向420上(相对于微沟槽400)相比在垂直于方向420的方向上将具有更大的速度分量。
然而与微沟槽100不同，微沟槽400的壁405被构造为提供其中产生流动的逐渐减小的横截面。因此在这种情况下，组分粒子410远离壁405的镜面散射将平行于方向420的速度分量的一部分转换成垂直于方向420的分量。流体415的这种从流动能量到内部动能的转换将往往会增加流体415的温度。这在流出开口450附近将变得更加集中。因此，在该区域附近，微沟槽400被构造用于将与流体415在流入开口430处相关的流动能量的较大部分转换成流体415的内部动能。
在这些情况下，可希望热隔离微沟槽400的该部分。例如，可构造微沟槽400中邻近流出开口的部分以使其不会将热能传递至微沟槽400的其他部分。这种热隔离区域在图4中示为区域455。
另外，如果流体415中的组分粒子410为分子(并且(例如)如果流体415为气体)，则某些振动态的组分粒子410可因温度在流出开口450处附近获得提高而使得粒子数增加。
如果这些振动激发分子随后穿过流出开口450，则存在下述可能性，即这些振动激发分子将发射电磁辐射以便弛豫至较低的振动态。另外应当注意，微沟槽400可用于在穿过流出开口450的这些振动激发分子群中产生振动态的粒子束反转，从而可用于激光用途中。
图5示出了符合本发明的示例性实施例的另一个视图。微沟槽500包括流入开口530和流出开口550。包含组分粒子510的流体515沿方向520流过微沟槽500。微沟槽500的壁505邻近流动的流体515。与图5相关的视图为符合本发明的微沟槽500的横截切面的视图。符合本发明的微沟槽500的其他示例性横截面视图示于图2中，并且表示代表符合切面135(示于图5中)的示例性视图。例如，流入开口530和流出开口550的横截面可为方形101、圆形102、矩形103、或与有界二维图形有关的任何其他形状中的任何一种。
可使用流入开口530和流出开口550之间的压差促使流体515沿方向520流过微沟槽500。此外，壁505和组分粒子510被构造为使得组分粒子510和微沟槽500内部的壁505之间的碰撞为基本上镜面的。
可使用流入开口530和流出开口550之间的压差促使通过流入开口530进入微沟槽500流体515流至流出开口550，其中流体515在流入开口530处的压力高于流体515在流出开口处的压力。如果流体515在流入开口530处的温度为T1，则组分粒子510(在进入微沟槽500之前)可表示为平均速度与温度成比例的速度分布。
如果流入开口的喉部较小(例如，0.01μm^2至500μm^2的任何值，其中流体为空气，并且其中喉部沿流动方向的长度为大约500μm)，则穿过流入开口530进入微沟槽500的组分粒子510通常将具有下述速度，其平行于方向520的分量大于其垂直于方向520的分量。因此，流体515获得主要平行于方向520的流动速度。与流体515沿方向520流动相关的动能得自流体515的内部热能，所述流体在其进入流入开口530之前处于T1下。能量守恒指示，由于流体515在T1下的初始热能的一部分已转换成流体515的流动动能，则流体515(流动速度固定的框架中)在区域540中的温度(其将被指定为T2)低于T1。如果T2还低于微沟槽500的壁505的温度(其被指定为Tw)，则微沟槽500中的流体515将用于冷却包括微沟槽500的材料。
符合本发明的实施例的微沟槽500还被构造用于以至少三种方式增加此温度变化对流体515的影响。具体地讲，如果壁505和组分粒子510被构造为使得壁505和组分粒子510之间的碰撞为基本上镜面的，则这种碰撞-其为壁505和流体515之间的能量转移方式-将对流体515的整体流动具有最小的影响。换句话讲，如果组分粒子510和壁505之间的碰撞使得组分粒子510的速度等可能地处于远离壁505的任何方向中(即，非镜面碰撞)，则多个这种碰撞将具有降低流体515流动的效果，这也将可能具有增加流体515在区域540中的内部温度的效果。符合本发明的实施例的微沟槽500被构造用于通过选择性地避免非镜面碰撞的影响来增加冷却效果。
另外，由于流体515内的组分粒子510之间的平均自由程通常随流入开口530和流出开口550之间的长度而增加，因此据信组分粒子510远离壁505的作为沿微沟槽500的长度的函数的变化的镜面散射将也可能用于把垂直于方向520的速度分量的一部分转换成平行于方向520的分量。
此外，由于微沟槽500被设计为小型的(即，在优选实施例的基本上恒定的区域中具有可低至大约6e-10m^2/线性微米的内部表面积)，则通过壁505提供的表面积相对区域540中流体515的给定体积的比率相对较大(即，其中由上述表面封闭的流体115的体积大约为3e-15m^3/线性微米)。由于通过壁505提供的相对流体515的体积的表面积为壁505和流体515之间的主要能量交换方式，因此这种方式使得流体515和微沟槽500之间的总能量交换相互作用达到最大。
图6示出了了符合本发明的另一个示例性实施例的视图。微沟槽600包括流入开口630和流出开口650。包含组分粒子610的流体615沿方向620流过微沟槽600。微沟槽600的壁605邻近流动的流体615。与图6相关的视图为符合本发明的微沟槽600的横截切面的视图。如此前结合微沟槽100所述，符合本发明的微沟槽600的其他示例性横截面视图示于图2中，并且代表符合切面135(在该情况下，示于图6中)的示例性视图。例如，流入开口630和流出开口650的横截面可为方形101、圆形102、矩形103、或与有界二维图形有关的任何其他形状中的任何一种。
可使用流入开口630和流出开口650之间的压差促使流体615沿方向620流过微沟槽600。此外，壁605和组分粒子610被构造为使得组分粒子610和微沟槽600内部(其中内部区域通常由区域640表示)的壁605之间的碰撞为基本上镜面的。
可利用下述方式促使通过流入开口630进入微沟槽600的流体615流至流出开口650，所述方式为(例如)在位于流入开口630处的流体615上进行工作以产生沿位于流出开口650取向中的方向620的流动(并且其中(例如)流体615在流入开口630处的压力高于流体615在流出开口处的压力)。如果流体615在流入开口630处的温度为T1，则组分粒子610(在进入微沟槽600之前)可表示为平均速度与温度成比例的速度分布。
在图6所考虑的实施例中，据认为流体615的诱发流动平行于方向620。因此，流体615中的组分粒子610在方向620上(相对于微沟槽600)相比在垂直于方向620的方向上将具有更大的速度分量。
然而与微沟槽500不同，微沟槽600的壁605被构造用于在流出开口650附近提供急剧减小的横截面。因此在这种情况下，组分粒子610远离壁605的镜面散射将会把平行于方向620的速度分量的一部分转换成反向平行于方向620的分量。流体615的这种从流动能量到内部动能的转换将往往会增加流体615的温度。这在流出开口650附近将变得更加集中。因此，在该区域附近，微沟槽600被构造用于将与流体615在流入开口630处相关的流动能量的较大部分转换成流体615的内部动能。
在这些情况下，可希望热隔离微沟槽600的该部分。例如，可构造微沟槽600中邻近流出开口的部分以使其不会将热能传递至微沟槽600的其他部分。这种热隔离区域在图6中示为区域655。
如果流体615中的组分粒子610为分子(并且(例如)流体615为气体)，则某些振动态的组分粒子610可因温度在流出开口650附近获得提高而使得粒子数增加。
如果这些振动激发分子随后穿过流出开口650，则存在下述可能性，即这些振动激发分子将发射电磁辐射以便弛豫至较低的振动态。另外应当注意，微沟槽600可用于在穿过流出开口650的这些振动激发分子群中产生振动态的粒子束反转，从而可用于激光用途中。
图7示出了符合本发明的另一个示例性实施例的视图。符合本发明的实施例的微沟槽700被构造为使用图1和图4中所示的示例性实施例的线性组合。
因此，与图1和4中所示的实施例相关的论述以引用方式并入本文中。
微沟槽700包括流入开口730和流出开口750。包含组分粒子710的流体715沿方向720流过微沟槽700。微沟槽700的壁705邻近流动的流体715。与图7相关的视图为类似于图1和4中提供的视图的微沟槽700的横截切面的视图。
可使用流入开口730和流出开口750之间的压差促使通过流入开口730进入微沟槽700的流体715流至流出开口750，其中流体715在流入开口730处的压力高于流体715在流出开口处的压力。此外，壁705和组分粒子710被构造为使得组分粒子710和微沟槽700内部的壁705之间的碰撞为基本上镜面的。
如果流体715在流入开口730处的温度为T1，则组分粒子710(在进入微沟槽700之前)可表示为平均速度与温度成比例的速度分布。
如果流入开口的喉部较小(例如，0.01μm^2至500μm^2的任何值)，则穿过流入开口730进入微沟槽700的组分粒子710通常将具有下述速度，其平行于方向720的分量大于其垂直于方向720的分量。因此，流体715获得主要平行于方向720的流动速度。与流体715沿方向720流动相关的动能得自流体715的内部热能，所述流体在其进入流入开口730之前处于T1下。能量守恒指示，由于流体715在T1下的初始热能的一部分已转换成流体715流动的动能，则流体715(流动速度固定的框架中)在中点740之前的温度(其将被指定为T2)低于T1。如果T2还低于微沟槽700中位于流入开口730和中点740之间的壁705的温度(其被指定为Tw)，则流入开口730和中点740之间的区域中的流体715将用于冷却包括微沟槽700的材料。
符合本发明的实施例700的微沟槽被构造用于以至少三种方式增加此温度变化对流体715的影响。具体地讲，如果壁705和组分粒子710被构造为使得壁705和组分粒子710之间的碰撞为基本上镜面的，则这种碰撞-其为壁705和流体715之间的能量转移方式-将对流体715的整体流动具有最小的影响。换句话讲，如果组分粒子710和壁705之间的碰撞使得组分粒子710的速度等可能地处于远离壁705的任何方向中(即，非镜面碰撞)，则多个这种碰撞将具有降低流体715流动的效果，这也将可能具有增加流体715在流入开口730和中点740之间的区域中的内部温度的效果。符合本发明的实施例的微沟槽700被构造用于通过选择性地避免该区域中的非镜面碰撞的影响来增加冷却效果。
另外，由于微沟槽700的壁705被构造为在流入开口730和中点740之间提供逐渐增大的横截面，流体715通过所述横截面产生流动，组分粒子710远离壁705的镜面散射将会把垂直于方向720的速度分量的一部分转换成平行于方向720的分量。
此外，由于微沟槽700被设计为小型的(即，在优选实施例中具有可低至大约3e-11m^2/线性微米至6e-10m^2/线性微米的内部表面积)，则通过壁705提供的表面积相对微沟槽700中的流体715的给定体积的比率相对较大(即，其中由上述表面封闭的流体115的体积为大约8e-17m^3/线性微米至3e-15m^3/线性微米)。由于通过壁705提供的相对流体715的体积的表面积为壁705和流体715之间的主要能量交换方式，因此这种方式使得流体715和微沟槽700之间的总能量交换相互作用达到最大。
就中点740和流出开口750之间的微沟槽700而言，流体715具有平行于方向720的诱发流动(其可通过流入开口730和中点740之间的壁705的冷却效果而得到增加)。因此，此区域内流体715中的组分粒子710在方向720上(相对于微沟槽700)相比在垂直于方向720的方向上将具有更大的速度分量。
然而与流入开口730和中点740之间的区域不同，微沟槽700的壁705被构造为提供逐渐减小的横截面，在中点740和流出开口750之间通过所述横截面产生流动。因此在此区域中，组分粒子710远离壁705的镜面散射将会把平行于方向720的速度分量的一部分转换成垂直于方向720的分量。流体715的这种从流动能量到内部动能的转换将往往会增加流体715的温度。这在流出开口750附近将变得更加集中。因此，在该区域附近，微沟槽700被构造用于将与流体715在中点740处相关的流动能量(其包括与流入开口730和中点740之间的壁705的冷却相关的能量中的一些)的较大部分转换成流体715的内部动能。
在这些情况下，可希望热隔离微沟槽700的该部分。例如，可构造微沟槽700中邻近流出开口的部分以使其不会将热能传递至微沟槽700的其他部分。这种热隔离区域在图7中示为区域755。另外，可构造热电装置770以便提取聚集在区域755中的热能。热电装置770可为常规可得的任何这种装置，例如(但不限于)可从Custom Thermoelectric商购获得的部件1261G-7L31-04CQ。
如果流体715中的组分粒子710为分子(并且(例如)如果流体715为气体)，则某些振动态的组分粒子710可因温度在流出开口750附近获得提高而使得粒子数增加。
如果这些振动激发分子随后穿过流出开口750，则存在下述可能性，即这些振动激发分子将发射电磁辐射以便弛豫至较低的振动态。另外应当注意，微沟槽700可用于在穿过流出开口750的这些振动激发分子群中产生振动态的粒子束反转，从而可用于激光用途中。
图8示出了符合本发明的另一个示例性实施例的视图。符合本发明的实施例的微沟槽800被构造为使用图5和图6中所示的示例性实施例的线性组合。
因此，与图5和6中所示的实施例相关的论述以引用方式并入本文中。
微沟槽800包括流入开口830和流出开口850。包含组分粒子810的流体815沿方向820流过微沟槽800。微沟槽800的壁805邻近流动的流体815。与图8相关的视图为类似于图5和6中提供的视图的微沟槽800的横截切面的视图。
可使用流入开口830和流出开口850之间的压差促使通过流入开口830进入微沟槽800的流体815流至流出开口850，其中流体815在流入开口830处的压力高于流体815在流出开口处的压力。此外，壁805和组分粒子810被构造为使得组分粒子810和微沟槽800内部的壁805之间的碰撞为基本上镜面的。
如果流体815在流入开口830处的温度为T1，则组分粒子810(在进入微沟槽800之前)可表示为平均速度与温度成比例的速度分布。
如果流入开口的喉部较小(例如，0.01μm^2至500μm^2的任何值，其中流体为空气，并且其中喉部沿流动方向的长度为大约500μm)，则穿过流入开口830进入微沟槽800的组分粒子810通常将具有下述速度，其平行于820方向的分量大于其垂直于方向820的分量。因此，流体815获得主要平行于方向820的流动速度。与流体815沿方向820流动相关的动能得自流体815的内部热能，所述流体在其进入流入开口830之前处于T1下。能量守恒指示，由于流体815在T1下的初始热能的一部分已转换成流体815的流动动能，则流体815(流动速度固定的框架中)在区域845(如下文所述)之前的温度(其将被指定为T2)低于T1。如果T2还低于微沟槽800中位于流入开口830和区域845之间的壁805的温度(其被指定为Tw)，则流入开口830和区域845之间的区域中的流体815将用于冷却包括微沟槽800的材料。
符合本发明的实施例的微沟槽800被构造用于以至少三种方式增加此温度变化对流体815的影响。具体地讲，如果壁805和组分粒子810被构造为使得壁805和组分粒子810之间的碰撞为基本上镜面的，则这种碰撞-其为壁805和流体815之间的能量转移方式-将对流体815的整体流动具有最小的影响。换句话讲，如果组分粒子810和壁805之间的碰撞使得组分粒子810的速度等可能地处于远离壁805的任何方向中(即，非镜面碰撞)，则多个这种碰撞将具有降低流体815流动的效果，这也将可能具有增加流体815在流入开口830和区域845之间的区域中的内部温度的效果。符合本发明的实施例的微沟槽800被构造用于通过选择性地避免该区域中的非镜面碰撞的影响来增加冷却效果。
另外，由于流体815中的组分粒子810之间的平均自由程通常随流入开口830和区域845之间的长度而增加，因此据信组分粒子810远离壁805的作为沿微沟槽800的长度的函数的变化的镜面散射将也可能用于把垂直于方向820的速度分量的一部分转换成平行于方向820的分量。
此外，由于微沟槽800被设计为小型的(即，在优选实施例中具有可低至大约6e-10m^2/线性微米的内部表面积)，则通过壁805提供的表面积相对微沟槽800中流体815的给定体积的比率相对较大(即，其中由上述表面积封闭的流体的体积大约为3e-15m^3/线性微米)。由于通过壁805提供的相对流体815的体积的表面积为壁805和流体815之间的主要能量交换方式，因此这种方式使得流体815和微沟槽800之间的总能量交换相互作用达到最大。
就位于邻近850的区域845中的微沟槽800而言，流体815具有平行于方向820的诱发流动(其可通过流入开口830和区域845之间的壁805的冷却效果而得到增加)。因此，位于流入开口830和区域845之间的区域内的流体815中的组分粒子810在方向820上(相对于微沟槽800)相比在垂直于方向820的方向上将具有更大的速度分量。
然而与流入开口830和区域845之间的区域不同，微沟槽800的壁855被构造用于提供急剧下降的横截面，在流出开口850处通过所述横截面产生流动。因此在区域845中，组分粒子810远离壁855的镜面散射以及区域845中的组分粒子810之间的后续碰撞将会把平行于方向820的速度分量的一部分转换成垂直于方向820的分量。流体815的这种从流动能量到内部动能的转换将往往会增加流体815的温度。在图8中这被指定为发生于靠近流出开口850的区域845中。因此，在区域845中，微沟槽800被构造用于将与流入开口830和区域845之间的流体815相关的流动能量(其包括与流入开口830和区域845之间的壁805的冷却相关的能量中的一些)的较大部分转换成流体815的内部动能。
在这些情况下，可希望热隔离微沟槽800的该部分。例如，可构造微沟槽800中邻近流出开口的部分以使其不会将热能传递至微沟槽800的其他部分。这种热隔离区域在图8中示为区域855。另外，可构造热电装置770以便提取聚集在区域855中的热能。如上文所述，热电装置770可为常规可得的任何这种装置，例如(但不限于)可从Custom Thermoelectric商购获得的部件1261G-7L31-04CQ。
如果流体815中的组分粒子810为分子(并且(例如)其中流体815为气体)，则某些振动态的组分粒子810可因温度在流出开口850附近获得提高而使得粒子数增加。
如果这些振动激发分子随后穿过流出开口850，则存在下述可能性，即这些振动激发分子将发射电磁辐射以便弛豫至较低的振动态。另外应当注意，微沟槽800可用于在穿过流出开口850的这些振动激发分子群中产生振动态的粒子束反转，从而可用于激光用途中。
图9示出了符合本发明的另一个示例性实施例的视图。符合本发明的实施例的微沟槽900被构造为使用图7中所示的示例性实施例的线性组合。
因此，与图7中所示的实施例相关的论述以引用方式并入本文中。
微沟槽900包括流入开口930和流出开口950。流体915沿方向920流过微沟槽900。微沟槽900的壁905邻近流动的流体915。与图9相关的视图为类似于图7提供的视图的微沟槽900的横截切面的视图。
可使用流入开口930和流出开口950之间的压差促使通过流入开口930进入微沟槽900的流体915流至流出开口950，其中流体915在流入开口930处的压力高于流体915在流出开口处的压力。此外，壁905和流体915中的组分粒子被构造为使得组分粒子和微沟槽900内部的壁905之间的碰撞为基本上镜面的。
与图7中论述的实施例相同，可希望热隔离微沟槽900中可被流体915加热的那些部分。在图9所示的实施例中，微沟槽900中邻近区域965和流出开口950的部分被构造为使得它们不会将热能传递至微沟槽900的其他部分。这种热隔离区域在图9中示为区域955。如前文所述，可构造热电装置770以便提取聚集在区域955中的热能。热电装置770可为常规可得的任何这种装置，例如(但不限于)可从Custom Thermoelectric商购获得的部件1261G-7L31-04CQ。
另外，如前文所述，如果流体915中的组分粒子为分子(并且(例如)其中流体915为气体)，则某些振动态的组分粒子可因温度在区域965和流出开口950附近获得提高而使得粒子数增加。
如果这些振动激发分子随后穿过区域965和流出开口950，则存在下述可能性，即这些振动激发分子将发射电磁辐射以便弛豫至较低的振动态。可使用光电装置975来利用因这种电磁发射产生的电磁能量。在光电装置975附近，可将微沟槽900构造为透射所发出的辐射。
图10示出了符合本发明的另一个示例性实施例的视图。符合本发明的实施例的微沟槽1000被构造为使用图8中所示的示例性实施例的线性组合。
因此，与图8中所示的实施例相关的论述以引用方式并入本文中。
微沟槽1000包括流入开口1030和流出开口1050。流体1015沿方向1020流过微沟槽1000。微沟槽1000的壁1005邻近流动的流体1015。与图10相关的视图为类似于图8提供的视图的微沟槽1000的横截切面的视图。
可使用流入开口1030和流出开口1050之间的压差促使通过流入开口1030进入微沟槽1000的流体1015流至流出开口1050，其中流体1015在流入开口1030处的压力高于流体1015在流出开口处的压力。此外，壁1005和流体1015中的组分粒子被构造为使得组分粒子和微沟槽1000内部的壁1005之间的碰撞为基本上镜面的。
与图8中论述的实施例相同，可希望热隔离微沟槽1000中可被流体1015加热的那些部分。在图10所示的实施例中，微沟槽1000中邻近区域1065和流出开口1050的部分被构造为使得它们不会将热能传递至微沟槽1000的其他部分。这种热隔离区域在图10中示为区域1055。如前文所述，可构造热电装置770以便提取聚集在区域1055中的热能。热电装置770可为常规可得的任何这种装置，例如(但不限于)可从Custom Thermoelectric商购获得的部件1261G-7L31-04CQ。
另外，如前文所述，如果流体1015中的组分粒子为分子(并且(例如)其中流体1015为气体)，则某些振动态的组分粒子可因温度在区域1065和流出开口1050附近获得提高而使得粒子数增加。
如果这些振动激发分子随后穿过区域1065和流出开口1050，则存在下述可能性，即这些振动激发分子将发射电磁辐射以便弛豫至较低的振动态。可使用光电装置975来利用因这种电磁发射产生的电磁能量。在光电装置975附近，可将微沟槽1000构造为透射所发出的辐射。
图11示出了符合本发明的另一个示例性实施例的视图。符合本发明的实施例的微沟槽1100被构造为使用图1中所示的示例性实施例的并联组合。因此，与图1中所示的实施例相关的论述以引用方式并入本文中。在图11所示的实施例中，流体通过流入开口1130进入并且通过流出开口1150离开。
图12示出了符合本发明的另一个示例性实施例的视图。符合本发明的实施例的微沟槽1200被构造为使用图4中所示的示例性实施例的并联组合。因此，与图4中所示的实施例相关的论述以引用方式并入本文中。在图12所示的实施例中，流体通过流入开口1230进入并且通过流出开口1250离开。
图13示出了符合本发明的另一个示例性实施例的视图。符合本发明的实施例的微沟槽1300被构造为使用图5中所示的示例性实施例的并联组合。因此，与图5中所示的实施例相关的论述以引用方式并入本文中。在图13所示的实施例中，流体通过流入开口1330进入并且通过流出开口1350离开。
图14示出了符合本发明的另一个示例性实施例的视图。符合本发明的实施例的微沟槽1400被构造为使用图6中所示的示例性实施例的并联组合。因此，与图6中所示的实施例相关的论述以引用方式并入本文中。在图14所示的实施例中，流体通过流入开口1430进入并且通过流出开口1450离开。
图15示出了符合本发明的另一个示例性实施例的视图。符合本发明的实施例的微沟槽1500被构造为使用图7中所示的示例性实施例的并联组合。因此，与图7中所示的实施例相关的论述以引用方式并入本文中。在图15所示的实施例中，微沟槽1500的部分可与其他部分为热隔离的，所述部分在图15中指定为区域1555。
图16示出了符合本发明的另一个示例性实施例的视图。符合本发明的实施例的微沟槽1600被构造为使用图8中所示的示例性实施例的并联组合。因此，与图8中所示的实施例相关的论述以引用方式并入本文中。在图16所示的实施例中，微沟槽1600的部分可与其他部分为热隔离的，所述部分在图16中指定为区域1655。
图17示出了符合本发明的另一个示例性实施例的视图。符合本发明的实施例的微沟槽1700被构造为使用图9中所示的示例性实施例的并联组合。因此，与图9中所示的实施例相关的论述以引用方式并入本文中。在图17所示的实施例中，微沟槽1700的部分可与其他部分为热隔离的，所述部分在图17中指定为区域1755。
图18示出了符合本发明的另一个示例性实施例的视图。符合本发明的实施例的微沟槽1800被构造为使用图10中所示的示例性实施例的并联组合。因此，与图10中所示的实施例相关的论述以引用方式并入本文中。在图18所示的实施例中，微沟槽1800的部分可与其他部分为热隔离的，所述部分在图18中指定为区域1855。
实验结果概述
已对符合本发明的装置进行了测定。所述装置为30X30X1毫米的MEMS装置，其构造有100个平行的微沟槽。每个微沟槽包括具有喉部的流入开口，所述喉部狭窄至大约10X10微米。喉部对源气体(空气)开放，并且具有小至限制气体的质量流量的横截面。喉部也为较短的(沿流动方向)以允许声速气流。流入开口和流出开口之间的距离为大约30mm。所述装置被构造为允许在从源气体进入微沟槽的分子和微沟槽的壁之间具有大量的碰撞。
每个沟槽中邻近流动气体的壁部分是由硬质、致密、高熔点的材料制成的。在用于测定的所述装置中，使用了钨。利用MEMS制造方法来沉积钨以便使得表面为大致光滑的。当所述装置的微沟槽壁包含钨时，钨下面的其余材料(选择以允许低耐热性)包括铜。在用于测定的所述装置中，微沟槽和壁是通过下述方式产生的。将钨层溅射到设置在常规晶片(例如具有单面抛光的那些)上的硅层上。然后将光掩模施加至钨层上以便形成包括一系列凸起沟槽的光致抗蚀剂层。每个凸起沟槽的尺寸对应于所需微沟槽的尺寸。然后利用溅射技术将钨沉积到包括硅基底、钨层、和光致抗蚀剂沟槽层的晶片上。然后将铜溅射到钨层上，并且随后将另一铜层电镀到溅射铜层上。在将晶片切割成所需尺寸(在该情况下为30X30平方毫米)之后，接下来利用丙酮超声波浴移除光致抗蚀剂。在上文提供的工序中，可使用铜基底而非硅基底以便改善所述装置的导热性。
与本发明一致，选择用于构造流入开口的喉部和微沟槽装置的壁表面的几何轮廓和材料，以便在空气分子和相对光滑的钨表面之间产生镜面相互作用，并且将空气的内部热能和微沟槽的热能的某些转换成穿过微沟槽的空气的流动速度。
气体分子和不同材料(如，金、铜、硅、钨、铅)的表面之间的碰撞已显示为镜面的。
选择围绕微沟槽(即，测定装置中的铜)的材料以便在环境空气与微沟槽和喉部的表面之间提供良好的传热性。一般来讲，理想材料将包括在大气环境和低压环境下均具有高导热系统并且为所述装置提供结构完整性的那些。
现在应当理解，符合本发明的装置的冷却效率可取决于其上流动流体并且发生碰撞的表面的特性。例如，符合本发明的优选表面为相对光滑的表面，从而使得流体中的组分粒子和壁之间的碰撞可预期对流体中的组分粒子沿流动方向的内部速度具有最小的影响。根据这种理解，微沟槽的壁相对流体中的入射组分粒子的碰撞越为“镜面状”，则热能从微沟槽到流体的转移也就越好，反之亦然。
据信，微沟槽的壁的镜面反射性可受其材料组成影响。例如，如果流体为气体，则表明当微沟槽由具有高熔点的极硬材料(例如钨或金刚石)构成时，会增加气体-表面碰撞导致镜面反射的程度。因此，当需要流体和微沟槽之间的高导热率时，则表明可将具有高导热率的材料用于微沟槽表面的壁下面的材料、以及任何周围的结构。
因此，据表明，将能量从环境提取到气流中的速率与发生热转移表面碰撞的速率成比例。另外表明，可通过最大化暴露于流动气体的表面积来增加微沟槽中的这种速率。因此，MEMS微沟槽本身提供高面积/流动体积比并且可利用现有制造方法制造出宏观长度。
此外，据表明，所述装置的效率与流体和微沟槽壁之间的有效温差成比例。当流体的初始动能的较大部分用于流体通过微沟槽的流动时，则流体的有效温度较低。由于动能对速度的平方而变化，则表明这种温差与流体通过沟槽的流速的平方成比例，换句话讲，流速的线性增加导致每次碰撞提取的能量值高于线性增加。
一种可用于在所述装置输入端实现流体的声轴向速度的机制为将喉部设计为小孔或具有小孔状的几何形状。通过小孔或高速喷嘴的喉部的流速在本领域中已知为声速的，前提条件是微沟槽的高压端和低压端之间的压力比保持在临界值之下，该临界值对空气而言为0.528。
在室温下，气体分子(例如空气)具有约500m/s的速度和与速度平方成比例的温度(约300K)。当促使气体在声速或340m/s下流动时，则有效温度(假定完全镜面反射)降至：
300K-300K*((340m/s*340m/s)/(500m/s*500m/s))＝162K。
从计算中显而易见的是，声速气体提供足够低的有效温度以实现从处于空气和室温下的装置的微沟槽壁提取能量。
声速流进入速度的另一个优点在于多种常规排代泵在这种压力比下工作非常有效。
然而由声速流动提供的能量提取速率因分子间碰撞的持续过程和不对称碰撞速率已被超越。碰撞过程不断地将流体的随机动能的一部分转换成在微沟槽长度上沿流动方向的运动。尽管这种速度开始于声速，但由于能量不断地微沟槽表面转移至碰撞的气体分子且随后转移至流体沿微沟槽的速度中，这种速度会增加至超声速。这种不断的能量转换过程显著增加了通过每个气体分子除去的能量。已计算出在3cm长的装置中，利用低至4m/s的进入速度得到2000m/s的离开速度。通过每个分子从环境中提取的平均动能为气体分子的初始动能水平的大约11倍。这种提取能量的数量为普通压缩致冷系统中的平均蒸发致冷分子吸收的能量的大约3倍之多。
最有效的能量提取装置将在通过该装置的所有路径中提供高速率的分子间碰撞和持续不对称的碰撞速率。实现这种条件组合的一种方法为使用发散微沟槽结构：即，其中流动横截面从微沟槽在其流入开口处的喉部到其在流出开口的出口之间增大的结构。沟槽横截面的变化速率取决于气体组成、沿微沟槽表面的传热速率、表面碰撞的镜面程度、以及沿微沟槽长度的每一个点处的轴向流速。
发散微沟槽几何形状的另一个益处为气体密度在微沟槽表面的长度上逐渐降至越来越低的密度。降低的气体密度会削弱边界效应并且改善每次碰撞的能量转移。沿微沟槽表面或装置定片的边界层衰减是通过工作装置中的表面温度的显著降低来证明的。
在沿装置微沟槽上施加相同的1大气压压降的条件下，得自室内空气的证实能量提取以及装置表面温度的同量降低经计算为可由Joule-Thomson效应导致的降低的4,130倍。
在测定装置中已得到证实的是，空气分子在具有多个平行设置的30mm长的微沟槽的MEMS装置中从4m/s加速至超过2,000m/s。空气供给的温度为296K。平均分子的净动能比其在沿微沟槽的30mm的路径上的初始值增加11倍。可从加速分子中除去加速能量而无需所述装置入口处的质量流量的任何净减少。
所熟知的是，气体中发生的相干和非相干光发射伴有原子或分子的振动动能的量减少。必要条件是，气体原子或分子在降低以实现光子发射之前应处于指定的振动能级下。一种实现必要振动能级的方法为将原子或分子加速至足够高的速度并且随后使粒子进行碰撞。碰撞将原子平移动能的一些部分转换成所需的高振动能态。平移模式中的能量的其余部分允许原子继续处于流动状态，其中碰撞频率为足够低的以允许振动模式到达其弛豫点并且发射光子。在Maxwell-Boltzmann分布中通常将CO2激光中的二氧化碳气体升至500K以便实现发射所需的高振动能要求。随后允许气体弛豫以产生发射所需的条件。
能量提取装置已证实具有将平均室内空气分子从300K的温度增加值超过4000K的能力，上述温度超过多种气体种类实现发射所需的温度。
一种符合本发明的此类设计通过下述方式实现所需的平移和振动能级，即初始减小流动横截面以便增加分子间的碰撞频率并因而增加振动能量、随后减小流动横截面来降低分子间的碰撞频率以允许量子弛豫从而导致随后的光子发射。
另外可通过热电装置获取加速能量。相对表面法线具有小于45度的迎角的加速气体分子已证实会增加表面温度。可使用对这些受热表面具有热通路的热电装置来提取加速能量并将热转换为电。
相似地，减小和增加流动横截面可用于提供气体的反应能量。流动气体与微沟槽内的气体和非气体材料之间的化学反应可通过利用所述装置加速气体以及利用增加和减小横截面积改变能量模式来实现。
足以用于光子发射和等离子体形成的能量也已得到证实。也可通过使用包括下述组分的气体混合物来促进光子发射，所需组分的分子结构允许所需能级和波长的发射。
能量从微沟槽壁转移至流体导致微沟槽壁和周围材料的温度降低。这种冷却效果允许所述装置用于致冷目的。已证实，当超声流速的源气体位于微沟槽内并且利用296K的室内空气时，微沟槽气流温度恰好在100K之下。
已证实能量提取装置中的微沟槽内的高能流动会产生液体的快速蒸发以用于附加的冷却效果。液体表面上的高速气流提供大幅降低的垂直压力，从而引起快速蒸发。
利用流动加速的能量提取相比线性速率增加较大。而且，随着将附加能量从环境提取到气体中，气流将继续加速。
气流通过多个串联连接的微沟槽阵列的加速已通过MEMS装置得到证实。因此，可在下述距离上以声速传送气体，所述距离未经受因摩擦导致的任何速度净损失。这种构造将包括单个泵，所述泵具有在输出端产生必要低压环境和低流速的足够容量，所述低流速等于微沟槽组入口处的小孔中的质量流速。相比现有技术而言，优点在于无需将附加泵置于所述组内以抵制摩擦损失。另外，可在沿微沟槽装置长度方向的所有长度上获取加速能量以用于转换成电。
用于从气流中提取能量作为热的表面可用作加热与碰撞表面热接触的另一种气体、液体或固体的方式。碰撞表面可被设计用于仅除去先前气流加速的能量。剩余的流动能量允许继续以声速或大于声速流动。
符合本发明的材料和组件，例如上述示例性装置，为已鉴定出的所有问题提供解决方案。
结合本说明书和本文所公开的本发明的实施，本发明的其他实施例对本领域的技术人员将显而易见。应当设想到，本说明书和实例仅认为是示例性的，且本发明的真实范围和精神由下述权利要求书指定。

Claims (85)

1.一种设备，包括：
微沟槽，所述微沟槽包括壁部分、流入开口、和流出开口；以及
流体，所述流体包含组分粒子；
其中所述微沟槽被构造用于适应所述流体沿第一方向从所述流入开口到所述流出开口的流动，所述第一方向基本上垂直于所述微沟槽的横截面；并且
其中所述壁部分和所述组分粒子被构造为使得所述组分粒子和所述壁部分之间的碰撞为基本上镜面的。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述流体为气体。
3.根据权利要求2所述的设备，其中所述气体包括空气。
4.根据权利要求1所述的设备，其中所述流入开口的横截面小于所述流出开口的横截面。
5.根据权利要求1所述的设备，其中所述粒子选自分子或原子中的至少一者。
6.根据权利要求1所述的设备，其中所述横截面的至少一部分作为所述流入开口和所述流出开口之间沿所述第一方向的长度的函数变化。
7.根据权利要求6所述的设备，其中所述横截面作为所述流入开口和所述流出开口之间沿所述第一方向的长度的函数的变化为基本上线性的和基本上递增的。
8.根据权利要求6所述的设备，其中所述横截面作为所述流入开口和所述流出开口之间沿所述第一方向的长度的函数的变化在邻近所述流入开口的区域中为基本上急剧的、在邻近所述流入开口的所述区域和所述流出开口之间为基本上恒定的，并且其中邻近所述流入开口的所述区域和所述流出开口之间的所述横截面大于邻近所述流入开口的所述区域中的所述横截面。
9.根据权利要求6所述的设备，其中所述横截面作为所述流入开口和所述流出开口之间沿所述第一方向的长度的函数的变化为基本上线性的和基本上递减的。
10.根据权利要求6所述的设备，其中所述横截面作为所述流入开口和所述流出开口之间沿所述第一方向的长度的函数的变化在邻近所述流出开口的区域中为基本上急剧的、在邻近所述流出开口的所述区域和所述流入开口之间为基本上恒定的，并且其中所述流入开口和所述流出开口之间的所述横截面大于邻近所述流出开口的所述区域中的所述横截面。
11.根据权利要求7所述的设备，其中所述横截面为基本上矩形的。
12.根据权利要求8所述的设备，其中所述横截面为基本上矩形的。
13.根据权利要求9所述的设备，其中所述横截面为基本上矩形的。
14.根据权利要求10所述的设备，其中所述横截面为基本上矩形的。
15.根据权利要求7所述的设备，其中所述横截面为基本上方形的。
16.根据权利要求8所述的设备，其中所述横截面为基本上方形的。
17.根据权利要求9所述的设备，其中所述横截面为基本上方形的。
18.根据权利要求10所述的设备，其中所述横截面为基本上方形的。
19.根据权利要求7所述的设备，其中所述横截面为基本上圆形的。
20.根据权利要求8所述的设备，其中所述横截面为基本上圆形的。
21.根据权利要求9所述的设备，其中所述横截面为基本上圆形的。
22.根据权利要求10所述的设备，其中所述横截面为基本上圆形的。
23.根据权利要求7所述的设备，其中所述横截面为基本上椭圆形的。
24.根据权利要求8所述的设备，其中所述横截面为基本上椭圆形的。
25.根据权利要求9所述的设备，其中所述横截面为基本上椭圆形的。
26.根据权利要求10所述的设备，其中所述横截面为基本上椭圆形的。
27.根据权利要求6所述的设备，其中所述横截面作为所述流入开口和所述流出开口之间沿所述第一方向的长度的函数的变化在第一区域中为基本上线性的和基本上递增的并且在第二区域中为基本上线性的和基本上递减的，其中所述第一区域邻近所述流入开口并且所述第二区域邻近所述流出开口。
28.根据权利要求6所述的设备，其中所述横截面作为所述流入开口和所述流出开口之间沿所述第一方向的长度的函数的变化在邻近所述流入开口的区域中为基本上急剧的、在邻近所述流出开口的区域中为基本上急剧的、并且在邻近所述流入开口的所述区域和邻近所述流出开口的所述区域之间为基本上恒定的，并且其中邻近所述流入开口的所述区域和邻近所述流出开口的所述区域之间的所述横截面大于邻近所述流入开口的所述区域中的所述横截面。
29.根据权利要求27所述的设备，还包括邻近所述流出开口的热电装置。
30.根据权利要求28所述的设备，还包括邻近所述流出开口的热电装置。
31.根据权利要求27所述的设备，还包括邻近所述流出开口的光电装置。
32.根据权利要求28所述的设备，还包括邻近所述流出开口的光电装置。
33.根据权利要求1所述的设备，其中：
所述流体还包括所述流体中基本上处于第一压力下的第一部分和所述流体中基本上处于低于所述第一压力的第二压力下的第二部分；并且
其中所述流入开口与所述流体的所述第一部分流体连通，并且所述流出开口与所述流体的所述第二部分流体连通。
34.根据权利要求1所述的设备，其中所述壁部分包括利用溅射沉积的材料。
35.根据权利要求1所述的设备，其中所述壁部分包括具有高熔点的材料。
36.根据权利要求1所述的设备，其中所述壁部分包括具有高密度的材料。
37.根据权利要求1所述的设备，其中所述壁部分还包括涂层材料。
38.根据权利要求1所述的设备，其中所述壁部分包括利用溅射沉积到基底材料上的涂层材料，并且其中所述组分粒子和所述壁部分之间的基本上镜面的碰撞包括所述组分粒子和所述涂层材料之间的基本上镜面的碰撞。
39.根据权利要求38所述的设备，其中所述基底为铜。
40.根据权利要求39所述的设备，其中所述涂层材料为钨。
41.根据权利要求1所述的设备，其中所述壁部分被制造成大致光滑的。
42.一种方法，包括：
提供包括壁部分的表面；
提供包含组分粒子的流体；
促使所述流体邻近所述壁部分流动；
构造所述壁部分和所述组分粒子中的至少一者以使得所述组分粒子和所述壁部分之间的碰撞为基本上镜面的。
43.根据权利要求42所述的方法，其中：
提供包括壁部分的表面的步骤包括：
提供包括所述表面、流入开口、和流出开口的微沟槽；并且
促使所述流体邻近所述壁部分流动的步骤包括：
促使所述流体从所述流入开口到所述流出开口沿基本上垂直于所述微沟槽的横截面的第一方向流动以使得所述流体从所述流入开口流至所述流出开口包括所述流体邻近所述壁部分流动。
44.根据权利要求43所述的方法，其中：
提供包括壁部分的表面的步骤包括：
在第一时间提供第一温度下的所述表面；并且其中
使所述流体的一部分在处于所述第一时间和晚于所述第一时间的第二时间之间的时间段期间从所述流入开口流至所述流出开口；并且其中
所述表面在所述第二时间具有低于所述第一温度的第二温度。
45.根据权利要求44所述的方法，其中：
位于所述流入开口处的所述流体部分处于第一流体温度下并且位于所述流出开口处的所述流体部分处于第二流体温度下，其中
所述第二流体温度高于所述第一流体温度。
46.根据权利要求43所述的方法，其中
促使所述流体从所述流入开口流至所述流出开口的步骤包括在所述流入开口和所述流出开口之间提供压差。
47.根据权利要求45所述的方法，其中：
所述组分粒子为具有一组振动态的分子；并且
提供包含组分粒子的流体的步骤包括：
提供包含多个所述分子的所述流体的一部分；并且其中
所述多个分子具有与所述第一流体温度相关的第一振动态分布；并且
所述多个分子具有与所述第二流体温度相关的第二振动态分布。
48.根据权利要求42所述的方法，其中所述流体为气体。
49.根据权利要求48所述的方法，其中所述气体包括空气。
50.根据权利要求43所述的方法，其中所述流入开口的横截面小于所述流出开口的横截面。
51.根据权利要求42所述的方法，其中所述粒子选自分子或原子中的至少一者。
52.根据权利要求43所述的方法，其中所述横截面的至少一部分作为所述流入开口和所述流出开口之间沿所述第一方向的长度的函数变化。
53.根据权利要求52所述的方法，其中所述横截面作为所述流入开口和所述流出开口之间沿所述第一方向的长度的函数的变化为基本上线性的和基本上递增的。
54.根据权利要求52所述的方法，其中所述横截面作为所述流入开口和所述流出开口之间沿所述第一方向的长度的函数的变化在邻近所述流入开口的区域中为基本上急剧的、在邻近所述流入开口的所述区域和所述流出开口之间为基本上恒定的，并且其中邻近所述流入开口的所述区域和所述流出开口之间的所述横截面大于邻近所述流入开口的所述区域中的所述横截面。
55.根据权利要求52所述的方法，其中所述横截面作为所述流入开口和所述流出开口之间沿所述第一方向的长度的函数的变化为基本上线性的和基本上递减的。
56.根据权利要求52所述的方法，其中所述横截面作为所述流入开口和所述流出开口之间沿所述第一方向的长度的函数的变化在邻近所述流出开口的区域中为基本上急剧的、在邻近所述流出开口的所述区域和所述流入开口之间为基本上恒定的，并且其中所述流入开口和所述流出开口之间的所述横截面大于邻近所述流出开口的所述区域中的所述横截面。
57.根据权利要求53所述的方法，其中所述横截面为基本上矩形的。
58.根据权利要求54所述的方法，其中所述横截面为基本上矩形的。
59.根据权利要求55所述的方法，其中所述横截面为基本上矩形的。
60.根据权利要求56所述的方法，其中所述横截面为基本上矩形的。
61.根据权利要求53所述的方法，其中所述横截面为基本上方形的。
62.根据权利要求54所述的方法，其中所述横截面为基本上方形的。
63.根据权利要求55所述的方法，其中所述横截面为基本上方形的。
64.根据权利要求56所述的方法，其中所述横截面为基本上方形的。
65.根据权利要求53所述的方法，其中所述横截面为基本上圆形的。
66.根据权利要求54所述的方法，其中所述横截面为基本上圆形的。
67.根据权利要求55所述的方法，其中所述横截面为基本上圆形的。
68.根据权利要求56所述的方法，其中所述横截面为基本上圆形的。
69.根据权利要求53所述的方法，其中所述横截面为基本上椭圆形的。
70.根据权利要求54所述的方法，其中所述横截面为基本上椭圆形的。
71.根据权利要求55所述的方法，其中所述横截面为基本上椭圆形的。
72.根据权利要求56所述的方法，其中所述横截面为基本上椭圆形的。
73.根据权利要求52所述的方法，其中所述横截面作为所述流入开口和所述流出开口之间沿所述第一方向的长度的函数的变化在第一区域中为基本上线性的和基本上递增的并且在第二区域中为基本上线性的和基本上递减的，其中所述第一区域邻近所述流入开口并且所述第二区域邻近所述流出开口。
74.根据权利要求52所述的方法，其中所述横截面作为所述流入开口和所述流出开口之间沿所述第一方向的长度的函数的变化在邻近所述流入开口的区域中为基本上急剧的、在邻近所述流出开口的区域中为基本上急剧的、并且在邻近所述流入开口的所述区域和邻近所述流出开口的所述区域之间为基本上恒定的，并且其中邻近所述流入开口的所述区域和邻近所述流出开口的所述区域之间的所述横截面大于邻近所述流入开口的所述区域中的所述横截面。
75.根据权利要求73所述的方法，还包括提供邻近所述流出开口的热电装置。
76.根据权利要求74所述的方法，还包括提供邻近所述流出开口的热电装置。
77.根据权利要求73所述的方法，还包括提供邻近所述流出开口的光电装置。
78.根据权利要求74所述的方法，还包括提供邻近所述流出开口的光电装置。
79.根据权利要求42所述的方法，其中提供包括壁部分的表面还包括：利用溅射将材料沉积到所述表面上。
80.根据权利要求42所述的方法，其中所述壁部分包括具有高熔点的材料。
81.根据权利要求42所述的方法，其中所述壁部分包括具有高密度的材料。
82.根据权利要求42所述的方法，其中提供包括壁部分的表面还包括：利用溅射将涂层材料沉积到所述表面上。
83.根据权利要求82所述的方法，其中所述表面为铜。
84.根据权利要求83所述的方法，其中所述涂层材料为钨。
85.根据权利要求42所述的方法，其中所述壁部分被制造成大致光滑的。
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