CN102985769A - 使用电磁感应进行发电的包括涡通量发生器与冷冻室之间的热传递的方法和装置 - Google Patents

Abstract

用于通过电磁感应使用磁场来发电和存储电力的系统和方法，所述磁场通过形成、消散和移动由诸如II型超导的涡流材料产生的涡流来调制，所述系统和方法包括低温恒温器中的涡通量发生器并具有与涡通量发生器的双向热传递的冷冻室。磁场调制在微观水平发生，促进产生高频电力。发生器感应器使用微电子制造技术制成，在至少一个维度中与所述涡流的间隔相对应。涡流材料制造方法确立涡流与发生器线圈的对齐，允许将来自很多涡流的能量同时电磁感应到很多线圈中，作为电力的汇聚输出。热电循环用于将热能转换为电力。

Description

使用电磁感应进行发电的包括涡通量发生器与冷冻室之间的热传递的方法和装置

相关申请的交叉引用

本申请要求于2010年4月12日提交的、题目为“VORTEX FLUXREFRIGERATOR”的第61/323,293号美国临时申请的权益，其全部内容通过引用的方式并入本文。

技术领域

本发明涉及一种用于能量转换的方法和装置。更具体地说，本发明涉及用于循环地将输入能源转换为通过涡流调制的磁场的动能、然后转换为电能的方法和装置。此外，本公开内容涉及用于通过电磁感应发电并存储电力的方法和装置，包括低温恒温器和冷冻室中的涡通量发生器。

背景技术

热力学第二定律是在封闭物理系统中温度、压力和化学势的差异随着时间的推移趋于平衡的趋势的表示。通过热力学平衡的状态，第二定律声明，通过称作第二类永恒运动的过程从自然界丰富的内能产生可用能量的机器是不可能的。

热力学第二定律以例如很多具体的方式应用，其原因在于包含可测量的热传递的任何系统具有一些不可逆的热能损失。虽然已经存在很多实验来证明该基本定律的例外，但是还不存在利用热能并且在没有损失的情况下将热能转换为电力的设备。

附图说明

在附图中，相同的参考编号指示相同的元件或动作。附图中的元件的尺寸和相对位置不一定按比例绘制。例如，各个元件的形状和角度不是按比例绘制的，并且这些元件中的一些元件被任意放大和放置以提高附图的易读性。此外，所绘制的各个元件的特定形状并不旨在传达关于特定元件的实际形状的任何信息，并且各个元件的特定形状仅为了便于附图中的识别而被选择。

图1示出了根据本公开的各个方面的涡通量发生器的示意图。

图2A示出了根据本公开的各个方面的与安装基底夹在一起的涡流材料芯片和感应器芯片的分解等距视图。

图2B示出了根据本公开的各个方面的与图2A的安装基底夹在一起的涡流材料芯片和感应器芯片的等距视图，其中，夹在一起的芯片安装在安装基底上，并且夹在一起的芯片中的一个隐藏在安装基底的凹槽的内部。

图3示出了根据本公开的各个方面的涡通量发生器中的感应器的分层组件的分解等距视图。

图3A示出了涡通量发生器中的感应器可以包括的分层组件的等距装配图，其中，图3A的分层组件是以更具代表性地表示这些分层组件实际上如何装配在一起的方式示出的。与图3相比，图3A中的组件示出为具有程度较轻的垂直扩展，并且根据本发明的各个方面，更多的组件被相邻的组件隐藏。

图4示出了根据本公开的各个方面的类似于并且可以用作涡通量发生器中的感应器的导电物质的螺旋线圈的示意图。

图5示出了根据本公开的各个方面的用于对齐涡通量发生器中的分层组件的对齐装置的分解等距视图。

图6示出了根据本公开的各个方面的放置在涡流材料附近的单个感应器的示意图，其中，所描绘的磁场密度未由涡流调制。

图7示出了图6中标识的、现在出现涡流的示意图。根据本公开的各个方面，涡流正在调制磁通量，并且在感应器中感应出电力。

图8示出了根据本公开的各个方面的描绘了由多个涡流调制的磁通量以及类似于图3A的感应器的串联互连从而产生电力的多个分层感应器的等距视图。

图9A示出了根据本公开的各个方面的涡流材料的表平面的平面图，其描绘了装置被部署以在特定的位置处促使形成涡流的位置。

图9B示出了根据本公开的各个方面的图9A的涡流材料的表平面的平面图，其描绘了已经在被促使的位置处形成的涡流。

图10示出了根据本公开的各个方面的类似于图3A的感应器被制造的、处于与图9B中描绘的涡流的被促使的位置对应的位置处的感应器阵列的平面的平面图。

图11示出了根据本公开的各个方面的涡通量发生器的示意图，其描绘了控制系统、能源、热沉和输出的元件。

图12示出了根据本公开的各个方面的放置在涡流材料之间的单个感应器的示意图，其中，所描绘的磁场密度未由涡流调制。

图13示出了图13中标识的、现在在涡流材料中的一个中出现涡流的示意图。根据本公开的各个方面，涡流正在调制磁通量，并且在感应器中感应出电力。

图14示出了根据本公开的各个方面的描绘了由多个涡流调制的磁通量的等距视图。

图15示出了根据本公开的各个方面的描绘了涡通量发生器、冷冻室、控制系统、能源、热沉和输出的元件的涡通量致冷装置的示意图。

图16示出了根据本公开的其它方面的描绘了涡通量发生器、冷冻室、控制系统、能源、热沉和输出的元件的涡通量致冷装置的示意图。

具体实施方式

在下面的描述中，阐述了某些具体细节，以便提供对本发明的各个实施方式的彻底理解。然而，相关领域技术人员将认识到，可以在没有这些具体细节中的一个或多个的情况下或者使用其它方法、组件、材料等来实践本发明。在其它实例中，与电磁感应、涡流或磁场相关联的公知结构未被详细示出或描述，以避免对本发明的实施方式的描述的不必要的模糊。

贯穿本说明书对“一个实施方式”或“实施方式”的提及意味着结合该实施方式所描述的特定特征、结构或特性包含在本发明的至少一个实施方式中。因此，短语“在一个实施方式中”或者“在实施方式中”在贯穿本说明书的各个位置中的出现不一定都是指相同的实施方式。此外，可以以任意适当的方式在一个或多个实施方式中组合特定的特征、结构或特性。例如，每一个具体要素包括以类似的方式操作从而实现类似目的的所有技术等同物。除非上下文另外需要，否则贯穿说明书和其后的权利要求的“包括(comprise)”一词及其变形（例如，“包括(comprises)”和“包括(comprising)”）是以开放的包含性方式解释的，其是“包括但不限于”。

为了进一步理解本发明，下面进一步定义以下术语：

导电体：形成具有在低损耗或没有损耗的情况下对电流进行传导的属性的一定数量的材料的物质集合。

反磁性：一种物质属性，其中，磁场以降低的穿透程度进行渗透或者被排斥，在这里被定义以使本文所使用的涡流的定义清楚。

涡旋（当使用时，还暗指多个“涡旋”）：形成位于涡流材料内和/或附近的区域的物质，与区域外的相对增加的反磁性相比，在该区域内，涡流具有降低的反磁性的特性。该区域可以包括建立体积的额外的维度。降低的反磁性允许涡流内更高的磁场密度，而涡流周围的区域具有相对较低的磁场密度。

涡流是由施加于涡流材料的一组条件形成的。例如，通过在磁场中放置可以包括超导材料的涡流材料并且将热能传递出该材料从而促使材料进入超导状态，在材料内和/或附近形成涡流。当涡流形成时，涡流内的磁场密度增加，并且因为该场可以包括场在其中守恒的区域中的总场，因此促使涡流周围的磁场减小，使得包括涡流内和外的场的总守恒场保持相同。

涡流材料.可以在其内和/或附近形成涡流的物质集合。形成的涡流可以进行该操作，其原因在于由涡流材料的属性组成的条件。示例性的涡流材料是超导材料。涡流材料可以包括包含超导材料和非超导材料的各种材料的组合，使得该组合将产生涡流。除了形成涡流的材料以外，所组合的其它物质还可以包括具有机械支持、能流连接、绝缘的材料、以及促使对将形成涡流的位置进行预先布置的人工方式的材料。

涡流材料可以是重入的，这意味着在没有任何外部激励的情况下在涡流材料中涡流形成并且然后消散。涡流材料可以是非重入的，这意味着仅在外部激励之后涡流才形成和/或消散。涡流材料可以包括呈现重入行为和非重入行为两者的材料。涡流材料可以包括能够被控制器激励以形成和消散涡流的材料，所述控制器将能量传递到涡流材料中或者从涡流材料中传递出来。

形成的涡流可以包括预先布置的维度，该预先布置的维度是由形成涡流材料的物质的组合的属性确定的，并且是由涡流材料在其中操作的环境状况确定的。通过人工迫使多个涡流在预定的位置处形成，附近的其它涡流也将通过预先布置的涡流的维度的方式在具体被迫使的涡流附近的可预见的位置处形成。

磁场调制：穿透物质区域的磁场的密度的改变，由此该改变以时间间隔发生。例如，涡流的形成和消散将改变涡流形成和消散的位置附近的磁场。随着时间改变的该磁场是动能，包括场密度的移动，其也称作磁场的调制，这是因为场密度随着时间的流逝而移动。这可以称作场调制、场密度改变、磁通量的移动或场的调制。

感应器：形成的导电体，使得导电体附近的磁场调制感应出电流以在导电体中流动。

本文所提供的标题仅为了方便的目的，而不说明所要求权利的发明的范围或意义。

概述

用于通过使用由涡流材料中的涡流提供的磁场的调制的电磁感应来产生电能并转换能量的方法和装置。根据本公开的各个方面，涡流材料与电磁感应相结合来调制磁路中的磁通量，由此调制后的磁通量在可以用于将电能提供给需要电能的输入的设备的导电体中产生电动势。

根据本公开的一个方面，涡通量发生器使用来自磁路的磁场、已知用于产生调制磁场的涡流的涡流材料、以及多个互连的感应器，所述多个互连的感应器被放置在涡流的位置附近，使得涡流的通量调制被换转为电力，并且汇聚到导电体中。

根据其它方面，控制器提供了促使涡流材料形成涡流所需的条件；这些涡流然后调制磁场。控制器的功能可以包括将能量传递到涡流材料中并且从涡流材料传递出能量的装置或装置的集合。

涡流在存在的微观水平发生。为了从由涡流促使的磁通量的微观移动来汇聚非零电力，感应器被制造为与微观调制相匹配。微电子制造技术方法用于制造包括正确的维度、位置的感应器并且将其进行互连。所产生的电力是由感应到多个感应器中的多个涡流的转换的能量的汇聚构成的。

制造感应器，其中，其位置和尺寸根据制造工艺的设计参数已知。涡流材料凭借涡流材料的特性产生涡流。因此，通过制造涡流材料，涡流可以产生。

根据本公开的各个方面，为了促使与磁通量调制的位置的对应，通过促使涡流在与感应器的已知位置对应的位置处形成，来将涡流与感应器人工对齐。

根据本公开的其它方面，控制器将可以包括来自多个源的能量的能量传递到装置，以及移除未转换为电力的多余的能量。在该能量传递过程中，形成、消散和移动涡流，从而在感应器中生成电力。

根据本公开的其它方面，涡通量致冷装置是使用涡通量发生器以及由导热介质和热交换器构成的热传递环路对室进行冷冻的方法和装置。使用微线圈，通过涡流材料的抑制(quench)冷却操作，从冷冻室传递的热被转换为电力。

根据一个实施方式，涡通量发生器可操作地耦合到涡通量致冷装置。可选择地，涡通量发生器可以包含在涡通量致冷装置中。涡通量发生器包括通过电磁感应，使用由诸如II型超导的涡流材料产生的涡流的形成、消散和移动所调制的磁场，来发电的方法和装置。磁场调制在微观水平发生，促进产生高频率的电力。发生器感应器是使用微电子制造技术制成的，并且在至少一个维度与涡流的间隔相对应。根据本公开的各个方面，制造工艺建立了涡流与发生器线圈的对齐，允许将来自很多涡流的能量同时电磁感应到很多线圈中，作为电力的汇聚输出。热电循环用于将热能转换为电力。

在一个实施方式中，可以通过使用单个涡旋来最低限度地实践本公开。根据其它实施方式，可以通过增加涡旋的数量和感应器的数量来对本发明进行调整，以包括适合于给广泛的电力应用供电的发电机。能量输入可以包括来自广泛的能源的能量，所述能源包括可再生的能源，例如，太阳能和地热。涡通量发生器

现在参照图1，涡通量发生器500将涡流材料与磁通量调制相结合，以使用电磁感应促使电流流入感应器。使用磁芯27或磁体21形成磁路，产生由所示的场力线20表示的磁场，磁芯27包括具有0.7特斯拉磁体的磁粉或非晶态金属，磁体21具有插入到电路中的永久磁体或电磁体。涡流材料24和感应器阵列22放置在磁路中。如图1所示，涡流材料27和感应器阵列22在磁场中彼此相邻。参照图11进一步详细描述了图1中标记为＂控制器＂的组件的元件。电力输出200表示本公开的实施方式的功率输出。

参照图3，使用微电子制造技术来对微观感应器进行制造。该制造工艺是由与当前用于制造CMOS集成电路芯片的工艺类似的分层微电子工艺构成的。图3中所示的示例性的展开的感应器是由五层铜合金导电体72构成，其中，布线宽度和间隔是55纳米。82纳米的布线高度和绝缘体73的10纳米厚度与示意图中的导电层的厚度不是按比例绘制的。导电通孔74穿过绝缘体73与感应器的各层互连。本领域技术人员将认识到，可以在本公开的范围内使用导体的任意数量的层及变化的宽度和间隔。

电气互连71可以包括导电体72的布线的延续。互连71可以用于连接到其它感应器组合件。在所示的最底部的导体层处的类似的互连提供了针对图3中的感应器组合件的对端的连接。

在示例性的实施方式中，导电材料的每一层是本身没有被封闭的圆弧段。每一层包括等效螺旋线圈的盘旋的四分之三。在本公开的可选方面，图4中描绘的从50纳米直径的电线制造的螺旋线圈可以用作感应器。

在图3A中，减小了图3的视图的展开，形成了更一致的示意图。根据本公开的各个方面，图3A的感应器组合件可以包括与图3类似的组件。

根据一个实施方式并且如图8中进一步所示的，感应器组合件37是由七层导电体和七层感应器组成，其包括包含感应器的导电体关于其中心轴的五又四分之一个盘旋。感应器37是图3A中的组合件的延展，其具有更多个层，使得该组合件的电气互连36和布线延展40在对侧退出，促进与如图8中同样所示的并且与布线延展40互连的相邻感应器组合件的互连。在图10中，在基底65上的阵列中描绘了这些分层感应器组合件66中的十四个分层感应器组合件。根据本公开的各个方面，基底65可以是1毫米的硅片。

参照图6，示出了单个感应器30。磁通量线32被示出为处于在涡流材料31中没有涡流出现的状态，导致可忽略的电流流入感应器30。

图7示出了在涡流材料31中形成的涡流35，并且如示例性的磁通量线所示，所指示的磁场在涡流35和相邻的感应器中的密度增加。用33示出了增加的磁场密度。在感应器中磁场密度增加的同时，电力从感应器流出，如箭头34所示。如本文所描述的，当涡流消散时，电力也从感应器流出，其中，根据楞次定律，电流在相反的方向上。

图8示出了感应器组合件37在通过涡流材料41形成涡流39的位置之间的布置。示出了三个涡流。通过感应器的该布置，当涡流形成时，感应器中的磁通量密度减小。通量密度的减小感应出电力以从感应器组合件中的每一个中流出。布线延展40将所示的两个示例性的感应器组合件串联。该连接汇聚了来自感应器的电力。互连36可以包括与另一个感应器的连接、或者与由本发明的电流输出200供电的负载的连接，如图1和图11所示。

示例性的感应器组合件中的每一个具有包括至少两个端子的连接器端子。其之间的互连导电体建立互联装置。每一个互连导致来自如此连接的多个互连的感应器的数量更少的导体。在示例性的实施方式中，可以串联数百万的感应器，导致来自数百万的感应器的电力汇聚到一对导体中，由此通过使用多个互连的感应器的互连装置的微电子制造技术，提供数量更少的导体。一百万个感应器具有至少两百万个连接端子，然而，当互连时，结果是一百万个感应器可以包括两个端子而不是两百万个端子。

再次参照图8，在形成和消散涡流期间，磁通量38可以包括通过涡流的作用在感应器中感应出的电力，同时涡旋相对于感应器和涡流材料41是静止的。这是通过与涡旋周围的通量的密度相比增加涡旋内的磁通量的密度实现的。

感应器中感应出的电力可以通过电磁感应被感应出来，电磁感应包括由涡流相对于感应器的移动产生的关于感应器的磁场改变，其中，在其内承载增加的磁场密度的涡流39相对于感应器37移动。虽然装置被部署为使涡流在预定的位置处形成，但是涡流可以通过涡流材料中的能量的作用分别相对于涡流材料和感应器移动。所述能量可以包括由图11中的抑制控制600产生的电流的能量。

在感应器中感应的电流可以由电磁感应来感应，电磁感应包括由磁通密度从一个涡旋移动到另一个涡旋产生的关于感应器的磁场改变。这通过涡旋的特性发生，其中，一个涡旋中的磁通的量可以转移到其它涡旋。虽然所有涡旋中的总磁通密度守恒，但是通过放置在附近的感应器的通量将改变，在包围改变的通量的感应器中产生电力。

图9A描绘了涡流材料的表面平面。在示例性的实施方式中，涡流材料61包括放置在基底上的材料层。根据本公开的各个方面，涡流材料61可以以与用于感应器阵列的基底相同的基底开始，或者使用其自己的基底。如果在其自己的基底上，则所使用的基底可以包括具有与感应器基底的收缩率类似的低温收缩率的材料，使得在操作温度范围内维持涡旋和感应器之间的对齐。

根据一个方面，当使用不同的基底时，涡流材料芯片的基底和感应器阵列芯片的基底均可以包括例如一毫米的硅片。

当制造涡流材料芯片的各层时，使用缓冲层和绝缘层，并且基于铋的II型超导薄膜（例如，深度为50纳米薄，通常称作Bi-2223）被沉积，导致与感应器芯片的光滑表面紧密配合的光滑表面。

图9A还描绘了部署用于促使在预定的位置处形成涡流的装置的位置。在图9中所示的示例性的实施方式中，示出了14个这样的位置62。在位置62处，例如通过在具有与周围的材料不同的磁导率的这些位置处沉积材料，材料可以具有静态磁导率的改变，提供了用于促使形成磁场密度的梯度的装置，导致了不同的磁场密度，并且特别地，在位置62处的磁场中的静态梯度改变，造成了涡流的形成。

另一种促使涡流在预定的位置处形成的装置可以包括使用作为螺线管式电磁体的感应器，通过感应器中的电流来激励涡流材料附近的感应器，因而包括用于磁场中的动态梯度改变的装置，由此涡流将在位置62处形成，如由螺线管的磁场所促使的。

另一种促使在预定的位置处形成涡流的装置可以包括用于在预定的位置处改变涡流材料的均匀性的装置。这可以包括例如通过在预定的位置62处沉积与涡流材料的分子不同的分子来改变材料中的分子组成。

另一种促使在预定的位置处形成涡流的方式可以包括改变晶格结构，其包括在预定位置处的晶格的缺陷或不均匀性，总体上包括类似的分子式，虽然不同的原子具体位于在晶格中的预定位置62。

另一种促使在预定的位置处形成涡流的方式可以包括改变在预定的位置处的涡流材料的维度，例如，改变基底的各层的厚度，生成分子状态(molecular regime)的缓冲或涡流，例如，在下面所描述的示例性实施方式中所使用的。

在一个示例性的实施方式中，蚀刻工艺用于在位置62处改变Bi-2223薄膜的维度，以确立涡旋将形成的位置。维度的改变是通过蚀刻工艺实现的，蚀刻工艺包括减小Bi-2223材料的深度，例如，在半球蚀刻腔中减小25纳米，例如，在每一个位置62处，直径减小25纳米。

图9B示出了与图9A相同的涡流材料，其中，已经形成了涡流64。

图10是由图3和图3A中详细阐述的分层构造方法构成的感应器组合件的相应位置的示意图，所述感应器组合件被分组到矩阵中，并且被互连以通过来自图9B的涡流的调制通量将感应出的电力汇聚到其中。

在示例性的实施方式中，通过在彼此上对两个基底进行分层，在图9A的涡流材料基底61的附近装配图10的感应器阵列基底65。结果是在与感应器的位置对应的位置处形成了在被分层为感应器阵列基底的涡流材料中的预定位置处形成的涡流。

在一个示例性的实施方式中，在预定的位置以涡旋的中心为基准将涡旋放置为彼此相距330纳米，或者，涡旋可以相距更远或者更近，或者以随机或无规律的间隔放置。为了在感应器中涵盖净改变磁通密度，感应器中的各段的长度可以包括近似为涡旋之间的距离的一半或小于涡旋之间的距离的长度。对于感应器的各段而言，这确立了至少一个预定的维度，在示例性的实施方式中，该预定的维度的长度为165纳米。

通过图6、图7、图8、图9A、图9B和图10中的涡旋和感应器的位置的对应，示出了预定位置和维度。为了说明的目的，所示的附图可以包括与示例性的实施方式的规格不同的规格。

参照图2A，在示例性的实施方式中，感应器阵列包括芯片28上的十亿个互连的感应器组合件，面积为1平方厘米。在图2A中，感应器阵列芯片28的基底面朝上。在其自己的基底上，涡流材料芯片29具有其面朝下的基底。

图2A的这两个芯片28和29安装在彼此之上，其中，基底面朝外，并且感应器和超导薄膜由绝缘层分隔开，其包括与所有匹配表面相距一百纳米的总厚度。

在图2B中，图2A的两个夹入其中的芯片安装在基底中，使得图2A的现在附接到芯片28的芯片29隐藏在图2A的基片腔30的内部、图2B的示意图中的芯片28的下方。

参照图5，在该特定的实施例中，两个层77和78与图2A的两个芯片28和29相对应。图5描绘了使用对齐装置来通过使用垂直参考75以及被制造在每一个芯片77和78中的对齐标记76来确保相应地设置涡流位置和感应器位置，其中，对齐标记与将被对齐的每一个相应的芯片的元件的放置相对应。

在图5的示意图的一般化的对齐装置中使用的两个层77和78也可以指各个层的对齐，而不是具体芯片的对齐。

使用前述对齐方法，相互对齐和附接的芯片被安装在具有图2A的腔30的基片中。腔提供了凹槽，在将芯片29安装到芯片28上以后，芯片29将包含在该凹槽中。结果是在基底30的顶部上出现更大的芯片28，并且在图2B中示出了该结果。由此产生的对齐的芯片夹层结构（sandwich）包括插入到磁路27中的图1的涡流材料24和感应器阵列22。

用作涡流材料芯片中的涡流的源的基于铋的超导作为磁路中的磁场中的超导在低温下操作。通过应用包括核能、电磁能、热能的额外的能量、调制磁场或电流，其能够被抑制而脱离超导状态。当被抑制时，涡流消散。这些形式的能量还可以包括提供根据本发明转换为电力的能量的能量。作为转换的能量的源的能量以及执行抑制的能量可以包括这些能量中的至少一个或这些能量中的多个。

如本发明的情况一样，当静态磁场已经存在时，可以使用适当的电流来快速地抑制Bi-2223超导薄膜。

参照图11，在示例性的实施方式中，抑制控制电路600将电流脉冲施加于涡流材料。所使用的电流是额定半安培抑制电流的十倍，其是经由抑制控制电路600施加作为高速电流脉冲，作为一百纳秒、五安培的抑制脉冲。这抑制了500中的涡流材料，使涡流消散。可以由抑制控制600使用反馈来调制抑制脉冲，同时使用最小的电能，使得净电力输出200最大化。

虽然本发明的涡流材料可以包括重入涡流材料、非重入涡流材料和由涡流材料附近的激励的方式控制的涡流材料中的一个，但是在示例性的实施方式的情况下，分解为图11中的细节的图1的控制器提供了经由脉冲电流的外部激励装置，以在循环重入模式中操作涡流材料。

当涡流材料被抑制时，将热能转化为增加涡流材料的混乱的能量。也即是说，这些涡流过去更有组织，而当涡流消散时，涡流材料变得不那么有组织了。在涡流材料中使用热能来实现组织中的改变。因为涡流材料不是绝热地操作，代替其温度简单地降低，将热能传递到涡流材料，使得涡流材料高效地从其操作环境中吸收热量，特别是通过热阀300吸收热量。实际的操作是热能从较热的热阀300传递到涡流材料。

提供给本发明的能量可以包括由热阀300调制的热源100的热能。本发明需要足够的能量流动，以提供需要转换为电力输出200的能量加上在散热器输出800处输出的能量加上当开关95未处于电池400位置处时自转换所需的给抑制控制600和低温泵700供电的能量。

在中止抑制电流脉冲并且从源吸收能量以后，仍然位于其超导温度阈值Tc以下的Bi-2223材料将处于超导状态，并且再次形成涡流，调制通量，并且在500中的感应器阵列芯片中产生电力。涡流形成、抑制、涡流消散、能量吸收以及通过电磁感应由磁场调制生成电力是本发明的方法的循环。

在示例性的实施方式中，在通过脉冲电流消散涡流并且将热能传递给涡流材料的过程中，多于一个形式的能量包含在本发明的方法的循环中，所述能量包括电流的能量和热能。

利用前述芯片构造和磁场强度，并以1MHz的循环速率操作，系统的可使用的电力输出为10瓦特，其中，能量输入可以包括例如10.1瓦特。可以按比例扩大系统，并且增加循环速率以提供相应更高的输出容量。

示例性的实施方式中的涡通量发生器用作热电转换器，其具有磁场调制的中间阶段。来自热源100的能量被转换为电力输出200。经由低温泵700将可以包括废热的热能移除到散热器800。散热器800代表从未在任何其它路径中输出的热源消散的所有能量的汇聚输出。散热器800可以包括处于与热源100相比更低温度的热沉。

经由开关95启用电池400以开始该过程，提供电力以运行低温泵700和抑制控制600。在循环能量产生操作开始并且热能源用作系统的能量输入以后，开关95可以选择发生器500的电力输出的一部分用于向抑制控制600和低温泵700供电，而不是使用电池。

涡通量致冷装置

根据本发明的其它方面，涡通量致冷装置是使用涡通量发生器以及包括导热介质和热交换器的热传递环路来对室进行冷冻的方法和装置。通过对涡流材料进行抑制冷却操作，使用微线圈，将从冷冻室传递的热转换为电力。

根据一个实施方式，涡通量发生器可以操作地耦合到涡通量致冷装置。可选择地，涡通量发生器可以包含在涡通量致冷装置中。涡通量发生器包括通过电磁感应使用通过形成、消散和移动诸如II型超导的涡流材料产生的涡流所调制的磁场来发电的方法和装置。磁场调制在微观水平发生，促进产生高频电力。使用微电子制造技术来制造发生器感应器，并且发生器感应器在至少一个维度中与涡流的间隔相对应。根据本发明的各个方面，制造工艺确立涡流与发生器线圈的对齐，允许将来自很多涡流的能量同时电磁感应到很多线圈中，作为为电力的汇聚输出。热电循环用于将热能转换为电力。

现在参照图12、图13和图14，图12示出了微观组合件的视图，该微观组合件可以包括磁场线30、作为夹层结构的一侧的涡流材料31、作为夹层结构的相对侧的涡流材料34、夹在涡流材料31和34之间的感应器33、将电流传送到感应器并且从感应器传送出电流的导电互连32、在第一方向上流动的电流35、形成在涡流材料34中的涡流36、形成在涡流材料31中的涡流37以及在与第一方向相反的方向上流动的电流38。

根据特定的实现的设计参数来选择包括有效使用涡流来增加或减小感应器中的磁场密度的相对的涡流材料，这是因为如果不包括这两者，则场将返回到感应器中的不同的场密度状态。更详细地说，这允许涡流材料可以被放置为使得增加感应器中的场密度，或者涡流材料被放置为使得减小感应器中的场密度，或者涡流材料被放置为使得增加和减小线圈中的场密度。

如图12所描绘的，没有形成涡流并且在感应器中没有流动的电流。在图13中，形成的涡流增加了感应器中的磁场密度，从而感应出流动的电流。在图14中，图13的涡流已经消散，并且涡流在相对侧的涡流材料中形成，这减小了感应器中的磁场密度，从而感应出在与现有的图13中的电流的相反的方向上流动的电流。

示意图15是包括一些图标和如下更详细的细节的涡流致冷装置的主要组成组件的示意图。双向热流93经由导热介质和交换器从冷冻室910传递出热，并且将冷却的导热介质传递到冷冻室910中。双向热流94通过使用低温保持器940和散热器或热源950在涡通量发生器930中建立和维持操作温度范围。开关95提供了通过电池400或通过涡通量发生器的电力输出在涡通量致冷装置系统中操作电激励和功率的装置。

示意图16是包括一些图标和如下更详细的细节的可选的涡流致冷装置的主要组成组件的示意图。为了本文是使用，“热能”通常包括称作黑体辐射的电磁频带。非热能包括所有其它频带的能量，例如，RF、可见光、x射线、伽马射线等。根据本发明的各个方面，“内部引擎”通常是指热电循环过程发生在其中的系统。根据本发明的其它方面，引擎的“外表面”通常是指低温恒温器的外侧。

如图16中进一步所示的，双向液氮流体流80经由导热介质和交换器传热。可以由不锈钢管或其它适当的流体管道传递到交换器级920和/或涡通量发生器930。根据实施方式的各个方面，可以在内部引擎与外部引擎表面之间提供绝缘81。绝缘81可以包括例如真空室。可以在内部引擎与绝缘之间提供实际的或虚拟的轮廓82，即，低温恒温器中的涡通量发生器的内室。双向液氮热交换器在涡通量发生器930之间的流体流动83中使用低温保持器940建立并且维持操作温度范围。在可选择的实施方式中，低温保持器940可以是与交换器级920相同的装置。如图16所示，从内部引擎消散的能量84主要是由诸如RF能量的非热能的能量构成。可以将热能或非热能传递到消散的能量输出960以存储、进一步处理或者用于立即重用。

如图16中进一步描绘的，引擎85的外表面还可以与系统的组件相互作用。例如，外表面可以是RF屏蔽物，其将一些RF能量转换为消散到消散的能量输出960的热能。

在最小的配置中，涡通量发生器的低温恒温器本身是冷冻室，其使用涡通量发生器的热电效应、热交换器和热源来维持涡通量发生器的操作温度，同时电力输出200给负载供电。扩展的配置包括额外的热交换器和单独的或额外的冷冻室。

根据本发明的各个方面，涡通量致冷装置包括涡通量发生器，其中涡流材料和感应器制造在相同的基底上，并且涡流材料被制造为使得其可以增加和减小感应器中的场密度。

用于调节进出涡通量发生器的热传递的超导热阀是由超导材料制成，该超导材料通过温度和/或电磁抑制切换到超导状态中并且切换出超导状态。该阀是处于超导状态的热绝缘体，并且在非超导状态下更快速地导热。

涡通量发生器作为使用II型超导的抑制感应冷却的热电转换器操作，II型超导用作涡流材料。由涡流对感应器中的磁场进行调制来生成电力输出。制造蚀刻用于改变超导薄膜的维度，以建立涡旋被预先放置以形成的位置。

使用包括导电材料的分层微电子制造技术来制造感应器。通过在基底上对齐所制造的层，来将感应器与涡旋形成的预先放置的位置对齐。

冷冻室也是太阳能加热流系统中的加热流体存储容器。一种示例性的流体是防冻剂，然而，可以使用其它适当匹配的流体或气体，其包括：氦、氟里昂、水等。冷冻是由经由导热介质向涡通量发生器的低温恒温器传热以及向加热流体存储容器传回冷却的介质来构成的。实际上，涡通量发生器的低温恒温器和太阳能热存储容器均是通过循环抑制的涡流材料的冷却形成的冷冻室。

根据一个实施方式，导热介质包括氮和防冻剂。本领域技术人员将清楚的是，可以在本公开的范围内使用多种导热介质。热交换器是与导热介质接触的所有导热表面，其包括也由与导热介质接触的不锈钢或其它金属、陶瓷和金属合金构成的材料。

本文公开的一种操作方法包括操作热引擎使得从内部引擎消散的电磁能经过热绝缘体的方法，所述热绝缘体允许非热能的电磁能从内部引擎系统消散到内部引擎外部的空间，允许引擎的消散外表面的操作温度，该操作温度与热源的温度相比是任意的。

所示的实施方式的包括摘要中所述的内容的以上描述并不旨在是排他性的或者将本发明限制于所公开的精确形式。虽然为了说明的目的描述了具体的实施方式和实施例，但是相关领域技术人员将认识到，可以在不偏离本发明的精神和范围的情况下进行各种等价修改。本文提供的本发明的教导可以应用于与发电和/或冷冻室结合的涡流操纵，而不一定是上面一般描述的示例性组合。

可以对上面所描述的各个实施方式进行组合以提供其它实施方式。本说明书中提及的和/或申请数据表中列出的所有美国专利、美国专利申请公布、美国专利申请、外国专利、外国专利申请和非专利公布的全部内容通过引用的方式并入本文。如果需要，可以对本发明的各个方面进行修改以使用各个专利、申请和公布的系统、电路和概念，从而提供本发明的其它实施方式。

根据上面详细阐述的描述，可以对本发明进行这些和其它改变。通常，在下面的权利要求中，所使用的术语不应当解释为将本发明限制于说明书和权利要求中公开的具体实施方式，而应当解释为包括根据权利要求操作的所有组合。因此，本发明不受公开内容的限制，相反，其范围完全是由下面的权利要求确定的。

Claims (26)

1.一种涡通量致冷装置，包括：

涡通量发生器，其包括：

磁路，用于产生磁场；

涡流材料，其用于形成并且随后消散涡流，由此在形成所述涡流时，所述涡流周围的磁场密度被促使减小，并且由此在随后消散所述涡流时，停止所述促使减小，允许所述磁场密度增加到在形成所述涡流以前的先前磁场密度，所述磁场的增加和减小构成所述磁场的调制；

感应器，包括放置在所述涡流附近的导电材料段，使得通过电磁感应将所述磁场的所述调制的动能转换为所述感应器中的电流的能量，所述电流构成所生成的电力；以及

冷冻室，其可操作地耦合到所述涡通量发生器，所述冷冻室具有热传递环路，所述热传递环路包括导热介质和热交换器。

2.根据权利要求1所述的涡通量致冷装置，其中，多个涡流在所述涡流材料中形成和消散，并且多个感应器相对于所述涡流放置；以及互连装置用于将感应到所述多个感应器中的电流汇聚到更少数量的导体中。

3.根据权利要求2所述的涡通量致冷装置，其中，所述感应器包括至少一个预定的维度，使得从互连的感应器汇聚的、由电磁感应所感应出的电流具有大于零的量值。

4.根据权利要求1所述的涡通量致冷装置，其中，所述涡流材料包括以下项中的至少一项：重入涡流材料、非重入涡流材料和通过所述涡流材料附近的激励装置所控制的涡流材料。

5.根据权利要求4所述的涡通量致冷装置，其中，用于控制所述涡流材料的外部激励通过用于将能量传递到所述涡流材料中和从所述涡流材料中传递出能量的控制装置来促使涡流的形成和消散。

6.根据权利要求5所述的涡通量致冷装置，其中，所述用于将能量传递到所述涡流材料中和从所述涡流材料传递出能量的控制装置使用包括以下项中的至少一项的能量：热传导、电流、电磁能、核能和磁场调制能量。

7.根据权利要求2所述的涡通量致冷装置，其中，部署了用于促使涡流在相对于所述感应器的预定位置处形成的装置。

8.根据权利要求7所述的涡通量致冷装置，其中，所述用于促使涡流在相对于所述感应器的预定位置处形成的装置包括以下项中的至少一项：用于促使所述磁场密度中的梯度的装置和用于所述涡流材料的均匀性的改变的装置。

9.根据权利要求8所述的涡通量致冷装置，其中，所述用于促使所述磁场密度中的梯度的装置包括以下项中的至少一项：用于磁体装置中的静态梯度改变的装置和用于所述磁场中的动态梯度改变的装置。

10.根据权利要求9所述的涡通量致冷装置，其中，所述涡流材料的均匀性的改变包括以下项中的至少一项：所述维度的改变、分子组成的改变和晶格结构的改变。

11.根据权利要求3所述的涡通量致冷装置，其中，所述感应器包括以下项中的至少一项：导电物质的线圈和使用微电子制造技术制成的感应器。

12.根据权利要求11所述的涡通量致冷装置，其中，所述使用微电子制造技术制成的感应器包括多个材料层，其中，所述材料层包括导电层、电绝缘体材料和穿过所述绝缘体的互连导电体，所述导电层形成本身没有被封闭的圆弧段。

13.根据权利要求12所述的涡通量致冷装置，其中，所述感应器通过对齐装置与被促使的涡流位置对齐，并且用于将所述感应器放置在所述涡流附近的装置包括以下项中的至少一项：与所述涡流材料制造在相同的基底上的感应器、以及在脱离开所述涡流材料制造的基底上制造的并且然后通过与涡流材料夹在一起被装配的感应器。

14.根据权利要求1所述的涡通量致冷装置，其中，磁通量调制是通过以下项中的至少一项发生的：由涡流相对于所述感应器的移动促使的磁通量密度的一起移动、所述涡流中的磁通量的密度相对于所述涡流周围的通量的密度的增加、以及磁通量密度从一个涡流到另一个涡流的移位。

15.一种操作涡通量发生器以实现循环过程的方法，包括：

使用涡流材料在具有相关联的磁场的磁路中形成涡流，由此所述形成涡流将能量从所述涡流材料传递到所述磁场，使得涡流周围的磁场密度减小并且使得涡流内的磁场密度增加，由此，变化的磁场密度的能量转换为放置于所述涡流附近的感应器中的电力；

消散所述涡流，由此所述磁场密度返回到在形成所述涡流之前存在的先前的磁场密度，由此，如所述的返回到所述先前的磁场密度的所述磁场密度的能量是转换为所述感应器中的电力的变化的磁场密度；以及

提供双向热流，以经由导热介质和交换器将热传递出冷冻室以及将热从所述涡通量发生器传递到所述冷冻室。

16.根据权利要求15所述的方法，其中：

能量被传递，包括将能量传递到所述涡流材料中以及将能量传递出所述涡流材料中的至少一个；

所传递的能量包括至少一种形式的能量；

所述感应器和所述感应器之间的互连的制造包括在对应于所述涡流的间隔的至少一个维度中的微电子制造技术；

所述涡流材料包括制造成使得所述涡流在预定位置处形成的材料；以及

其中，所述感应器与所述涡流的所述预定位置的对齐包括对齐装置。

17.一种涡通量发生器，包括：

磁路，其用于产生磁场；

第一涡流材料和第二涡流材料，被放置在所述磁场中，用于形成涡流和随后消散涡流，由此在形成所述涡流时，所述涡流周围的磁场密度减小，并且由此在所述涡流随后消散时，所述磁场密度增加到在所述涡流形成之前存在的先前的磁场密度，所述磁场的所述增加和所述减小构成所述磁场的调制；

感应器，其包括放置在所述涡流附近的导电材料段，使得通过电磁感应将所述磁场的所述调制的动能转换为所述感应器中的电流的能量，所述电流构成所产生的电力；

涡通量致冷装置，其包括冷冻室，所述冷冻室具有热传递环路，所述热传递环路包括导热介质和热交换器；

其中，所述感应器被互连以将所述电力汇聚到更少数量的导电体中；

其中，所述感应器是使用微电子制造技术制成的，在至少一个维度中与所述涡流的间隔相对应；

其中，所述第一涡流材料和所述第二涡流材料包括制造成使得所述涡流在预定的位置处形成的材料；并且

其中，所述感应器与所述涡流的所述预定位置的对齐包括对齐装置。

18.根据权利要求17所述的涡通量发生器，其中，使用微电子制造技术制成的所述感应器包括多个材料层，其中，所述材料层包括导电层、电绝缘体材料和穿过所述绝缘体的互连导电体，所述导电层形成本身没有封闭的圆弧段；

其中，所述感应器通过对齐装置与被促使的涡流位置对齐，并且

其中，所述涡流附近的所述感应器的沉积包括以下项中的至少一项：与所述涡流材料制造在相同的基底上的感应器、以及在脱离开所述涡流材料制造的基底上制造的并且然后通过夹在所述第一涡流材料与所述第二涡流材料之间而被装配的感应器。

19.根据权利要求17所述的涡通量发生器，其中，用于促使在相对于感应器的预定位置处形成涡流的装置包括以下项中的至少一项：用于促使所述磁场密度中的梯度的装置和用于所述涡流材料的均匀性的改变的装置。

20.根据权利要求19所述的涡通量发生器，其中，所述涡流材料的均匀性的改变包括以下项中的至少一项：所述维度的改变、分子组成的改变和晶格结构的改变。

21.一种热引擎组件，其中在内部引擎部件与所述内部引擎部件的外表面之间具有热绝缘，其中，所述热绝缘允许主要包括未处于热能带中的能量的电磁能量谱从所述内部引擎消散。

22.根据权利要求21所述的热引擎组件，其中，所述热引擎组件是发电机。

23.根据权利要求21所述的热引擎组件，其中，所述热引擎组件是涡通量发生器。

24.根据权利要求21所述的热引擎组件，其中，所述热引擎组件是涡通量致冷装置。

25.根据权利要求21所述的热引擎组件，其中，所述热绝缘是真空室。

26.根据权利要求21所述的热引擎组件，其中，所消散的能量包括热能。

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