JP2013528275A

JP2013528275A - 熱およびエネルギー交換

Info

Publication number: JP2013528275A
Application number: JP2013512098A
Authority: JP
Inventors: スコット・デイビス
Original assignee: Forced Physics LLC
Current assignee: Forced Physics LLC
Priority date: 2010-05-23
Filing date: 2011-05-20
Publication date: 2013-07-08
Also published as: CA2800209A1; WO2011149780A1; EP2577210A1; BR112012029534B8; AU2011258652A1; RU2566874C2; SG185705A1; RU2012153238A; US20130153182A1; CN102985781A; BR112012029534A2; CN102985781B; BR112012029534B1; IL223148A0; AU2011258652A2

Abstract

熱交換システム用の流体を含むマイクロスケールチャネルの製造および使用を対象とする材料、構成要素および方法が提供され、流体の温度および流れは、部分的には、マイクロスケールチャネルの巨視的ジオメトリ、およびマイクロスケールチャネルの壁の少なくとも一部分と流体を構成する構成粒子との構成によって制御される。その上、マイクロスケールチャネルの壁および構成粒子は、構成粒子と壁との間の衝突が実質的に鏡面となるように構成される。本明細書で提供される加速エレメントおよび減速エレメントは、全体的にらせん状の経路を描くことができるマイクロスケールチャネルとともに構成することができる。

Description

本出願は、２０１０年５月２３日付けで出願された米国特許仮出願第６１／３４７，４４６号に基づく優先権を主張するものであり、その内容は参照により本明細書に組み込まれる。本出願は、２００８年９月３０日付けで出願された米国特許仮出願第６１／１０１，２２７号に基づく優先権を主張して２００９年９月３０日付けで出願された同時係属中の米国特許出願第１２／５８５，９８１号に関し、その内容は参照に本明細書に組み込まれる。

本開示に一致する材料、構成要素および方法は、流体を含むマイクロスケールチャネルの製造および使用を対象とし、マイクロスケールチャネルは、流体の温度および流れを少なくとも部分的に制御するように、ある特定の巨視的構成に従って配列される。

空気などの流体の体積は、温度および圧力によって特徴づけることができる。たとえば、酸素と窒素との分子を含む構成粒子の集合と見なすと、所与の温度における流体の体積は、構成粒子の速度分布としても特徴づけることができる。この分布は、一般に、流体（たとえば、ガスなど）の温度との関係をもつと理解される平均速度によって特徴づけることができる。

したがって、流体の内部熱エネルギーは、流体流れの加熱、冷却および生成に関する適用例のためのエネルギー源を提供することができる。

一態様では、実施形態は、流体の流れを受け入れるように構成された１つまたは複数のマイクロスケールチャネル（「マイクロチャネル」）を利用するシステムを提供することができ、マイクロチャネルの壁と流体中の構成粒子とは、構成粒子とマイクロチャネルの壁との間の衝突が略鏡面となるように構成される。その上、マイクロチャネルは、少なくともほぼ平坦な少なくとも第１の壁部分と、少なくともほぼ平坦な少なくとも第２の壁部分と、ほぼ平坦な第３の壁部分と、第１の中間壁部分と、第２の中間壁部分とをもつ少なくとも１つの壁を提供するように巨視的構成で配列することができ、第１の壁部分の境界は、第１の中間壁部分の第１の境界と隣接し、第２の壁部分の第１の境界は、第１の中間壁部分の第２の境界と隣接し、第２の壁部分の第２の境界は、第２の中間壁部分の第１の境界と隣接し、第３の壁部分の境界は、第２の中間壁部分の第２の境界と隣接し、それにより、第１の壁部分と第１の中間壁部分と第２の壁部分と第２の中間壁部分と第３の壁部分とが、マイクロチャネルの一部分の連続する壁を形成する。さらに、実施形態は、第１の壁部分によって規定されたほぼ平面に対する第１の法線は、第２の壁部分によって規定されるほぼ平面に対する第２の法線に対して平行ではなく、第３の壁部分によって規定されたほぼ平面に対する第３の法線に対しても平行ではなく、また第２の法線も第３の法線に対して平行ではないことを規定する。さらに、実施形態は、第１の法線と第２の法線との間の角度オフセットは９０度未満であり、第２の法線と第３の法線との間の角度オフセットとほぼ同じであることを規定する。第１の壁部分と第２の壁部分との間の間隔が、その間隔の上のマイクロチャネルの最大幅の少なくともＮ倍（ただし、Ｎは整数とすることができる）である場合、第１の法線と第２の法線との間の角度オフセットはＮ／１０度未満とすることができる。同様に、第２の壁部分と第３の壁部分との間の間隔が、その間隔の上のマイクロチャネルの最大幅の少なくともＮ倍である場合、第２の法線と第３の法線との間の角度オフセットはＮ／１０度未満とすることができる。単に例として、第１の壁部分と第２の壁部分との間の間隔（および、第２の壁部分と第３の壁部分との間の間隔）が、その間隔の上でマイクロチャネルの最大幅の少なくとも２５倍である場合、第１の法線と第２の法線と（および、第２の法線と第３の法線と）の間の角度オフセットは２．５度未満である。同様に、単に例として、第１の壁部分と第２の壁部分との間の間隔が、その間隔の上のマイクロチャネルの最大幅の少なくとも５０倍である場合、第１の法線と第２の法線との間の角度オフセットは５度未満とすることができる。

別の態様では、実施形態は、一定量の流体の流れおよび温度の操作を規定し、流体は分子を含むことができ、一定量の流体のさらなる加熱を通じて分子振動レベルのポピュレーションを可能にすることができる。そのような振動励起分子を緩和することが可能である場合、実施形態は、それによって放出される電磁放射の生成および操作を可能にすることができる。

さらなる態様では、実施形態は、一定量の流体の流れおよび温度の操作を規定することができ、加熱および冷却、冷凍、電気生成、コヒーレント光放出および非コヒーレント光放出、気体ポンピング、プラズマおよび粒子線生成、粒子線加速、化学処理などに及ぶ実用的な適用例を規定することができる。

本開示のさらなる目的および利点は、部分的には以下の説明に記載されており、部分的には以下の説明から明らかになり、あるいは本開示に一致する実施形態の実施によって理解できる。それらの目的および利点は、添付の特許請求の範囲に具体的に示された要素および組合せによって実現し、達成することができる。

上記の一般的な説明および以下の詳細な説明は単に例および説明にすぎず、特許請求されるように、本発明を限定するものではないことを理解されたい。

本出願に組み込まれ、本出願の一部を構成する添付の図面は、本開示の一実施形態を示すものであり、本明細書とともに、本開示の原理を説明するものである。

本開示に一致する例示的な熱交換システムを示す図である。図１のシステムの加速エレメント内のマイクロチャネルの例示的な図である。本開示に一致する鏡面衝突の例示的な図である。図１のシステムの減速エレメント内のマイクロチャネルの例示的な図である。図１のシステムの加速エレメントと減速エレメントとを接続するインターフェースおよび接続チャネルの例示的な図である。図１のシステムの加速エレメント内のマイクロチャネルの壁および角度オフセットに対する例示的な法線ベクトルを示す図である。

次に、本開示の本実施形態（例示的な実施形態）について詳細に参照し、その特性は、添付の図面に示される。可能な場合はいつでも、図面全体にわたって、同じまたは同様の部分を指すために同じ参照番号が使用される。

図１に、本開示に一致する例示的な熱交換システム１００の図を示す。ポンプ１５０は、チャネル１５２からチャネル１５１までの流体（たとえば、空気など）の流れを生成および／または維持するように構成される。矢印１１８はチャネル１５１への例示的な流体流れを示し、矢印１２８はチャネル１５２からの例示的な流体流れを示す。

概して、本開示によれば、サブシステム１１０は、複数の加速エレメント１１５を含むことができ、各加速エレメント１１５は、チャネル１５１と流体連通するマイクロチャネル（以下に詳述する）を含む。さらに、サブシステム１２０は、複数の減速エレメント１２５を含むことができ、各減速エレメント１２５もまた、チャネル１５２と流体連通するマイクロチャネル（以下に詳述する）を含む。さらに、本開示の例示的な実施形態によれば、各加速エレメント１１５のマイクロチャネルの各々と各減速エレメント１２５のマイクロチャネルの各々との間は１対１対応とすることができ、この１対１対応は、各加速エレメント１１５のマイクロチャネルを、インターフェース１３０を介して減速エレメント１２５の１つのマイクロチャネルと確実に流体連通させることによって実現することができる。

好ましい実施形態では、加速エレメント１１５と減速エレメント１２５との各対は、低温側（加速エレメント１１５）から高温側（減速エレメント１２５）に１００ワットを伝達することができる。加速エレメントと減速エレメントとのそのような１００ワット対内のそのような加速エレメント１１５の寸法は、１００ミリメートル×１００ミリメートルとすることができる。さらなる実施形態では、加速エレメント１１５および減速エレメント１２５の各々に、追加の熱交換エレメント（図示せず）を固定することができる。本開示に一致する一実施形態では、追加の熱交換エレメントは、（加速エレメント１１５および減速エレメント１２５とが平坦であるように）実質的に平坦とすることができ、また、（そのようなエネルギーを放散させるために追加の表面積を提供することによって）減速エレメント１２５から周囲空気中へと熱を伝導するのに役立つ、あるいは、（同じく、冷却目的のために追加の表面積を提供することによって）周囲空気から加速エレメント１１５に熱を伝導するのに役立つことができる。追加の熱交換エレメントは、１００ミリメートル×１００ミリメートルとすることができ、それにより、１つの実施形態では、加速エレメント１１５と追加の熱交換エレメント１００とを合わせた寸法は１００ミリメートル×２００ミリメートルとなり、減速エレメント１２５と追加の熱交換エレメントとを合わせた寸法は１００ミリメートル×２００ミリメートルとなる。図１に示す本実施形態では、加速エレメント１１５と減速エレメント１２５との２０個のそのような対が示されており、システム１００は、サブシステム１１０からサブシステム１２０まで２キロワットを伝達することが可能である。さらなる好ましい実施形態では、３５個のそのような対は、低温側から高温側に３．５キロワットを伝達することが可能であり、３．５キロワットシステムの高さＨは、約３００ミリメートルとすることができる。（上述した追加の熱交換エレメントを考慮して）インターフェース１３０が１０ミリメートル幅である場合、そのような３．５キロワットシステムの全体寸法は３００ミリメートル×２１０ミリメートル×２００ミリメートルとすることができる。さらに、チャネル１５１およびチャネル１５２の例示的な直径は、２５ミリメートル以上とすることができる。さらに、そのような例示的な３．５キロワットシステムでは、流体が空気である場合、ポンプ１５０は３００〜５００ワット空気ポンプとすることができる。さらに、そのような例示的な実施形態では、システム１００を通って循環されるべき空気は、システム１００の隣接環境から引き出すことができる。

チャネル１５１は、複数の加速エレメント１１５、インターフェース１３０、および減速エレメント１２５内の複数のマイクロチャネルを介して、チャネル１５２と流体連通する。矢印１３８は、インターフェース１３０を介した加速エレメント１１５から減速エレメント１２５への流体の流れを示す。

図２は、図１の例示的な加速エレメント１１５内のマイクロチャネル２１０の概略図である。チャネル１５１は、加速エレメント１１５中の開口として示され、マイクロチャネル２１０と流体連通する。図２に示されたマイクロチャネル２１０の尺度は説明を目的としている。マイクロチャネル２１０は、小さくなるように加工することができる（すなわち、好ましい実施形態では、内部表面積は、長さ方向に１ミクロン当たり約３ｅ−１１ｍ^２〜長さ方向に１ミクロン当たり６ｅ−１０ｍ^２程度に小さくすることができ、かかる内部表面積は、近似直径が９ミクロン〜１８０ミクロンのチャネルにそれぞれ対応することができる）。図２に示すように、例示的な実施形態では、マイクロチャネル２１０は、平坦な領域（すなわち、加速エレメント１１５）にほぼ制限され、チャネル１５１から入った流体が、マイクロチャネル２１０に入るようにらせん状になっており、流体が直線チャネル２２０に入るまで半径が増大している弧が記載されている。好ましい実施形態では、直線チャネル２２０に達するまでのチャネル１５１からのマイクロチャネル２１０の全長は、約１０ｍｍから１メートル以上とすることができる。さらに、上記で説明したように、加速エレメント１１５が、加速エレメントと減速エレメントとの１００ワット対のうちの一方である好ましい実施形態では、幅Ｗは１００ミリメートルとすることができる。

さらに、好ましい実施形態では、マイクロチャネル２１０の壁は略鏡面とすることができ、図３は図２の一部分をより詳細に示している。詳細には、矢印３２５は、構成粒子３１０が壁３０５と衝突する前の構成粒子３１０の速度成分を表す。（壁３０５はマイクロチャネル２１０の例示的な壁の拡大図であり、構成粒子３１０は、好ましい実施形態によるマイクロチャネル２１０を通って流れる例示的な流体中の構成粒子に対応する。）法線３０６は、壁３０５によって規定された平面に直交する軸を表す。矢印３３５は、構成粒子３１０が壁３０５と衝突した後の構成粒子３１０の速度成分を表す。本明細書で使用する場合、構成粒子３１０と壁３０５との間の鏡面衝突とは、構成粒子３１０と壁３０５との間の衝突の近傍の壁３０５の局所部分３０１によって定められた平面３０２に対して平行な構成粒子３１０の速度成分が、衝突の前後で実質的に同じである衝突である。その上、鏡面衝突中、壁３０５の平面に直交する速度成分に関連する構成粒子３１０の速さは、衝突の前後で実質的に同じであることができる。当業者には、本明細書で使用する場合の「鏡面衝突」という用語は、弾性衝突にのみあてはまるように解釈すべきではないことを了解されたい。むしろ、当業者には、マイクロチャネルの壁３０５と複数の構成粒子３１０との間には（平均した）エネルギーの伝達が存在するので、構成粒子３１０と壁３０５との間の任意の１つの特定の鏡面衝突により、構成粒子３１０が衝突前にもっていた運動エネルギーに対して、構成粒子３１０の運動エネルギーを増加または減少できることを理解されたい。たとえば、壁３０５から構成粒子３１０へエネルギーが伝達される場合、構成粒子３１０と壁３０５に対して平行な平面との間の鋭角は、衝突後に衝突前よりも大きくなることが予想される。同様に、構成粒子３１０から壁３０５へエネルギーが伝達される場合、構成粒子３１０と壁３０５に対して平行な平面との間の鋭角は、衝突後に衝突前によりも小さくなることが予想される。さらに、複数の構成粒子を含む流体の温度が壁の温度とは異なる場合、（どちらがより高い温度であるかに応じて）流体から壁へ、または壁から流体へ内部エネルギーを伝達することができる。複数の構成粒子３１０と壁３０５との間の衝突が、本明細書で使用するように、略鏡面である場合、マイクロチャネル２１０中を流れている流体から壁３０５への、または、壁３０５からマイクロチャネル２１０中を流れている流体へのエネルギーの伝達は、衝突中の壁３０５の平面に直交する構成粒子３１０の速度成分の変化に関連する、構成粒子３１０の速さの平均変化によって主に行うことができる。また、衝突中の構成粒子３１０の速度成分のそのような変化は、衝突プロセスの結果として、構成粒子３１０の全体的な速さを変えることができることを了解されたい。

本開示に一致する一実施形態では、マイクロチャネル２１０の壁の表面は、シリコン、タングステン、金、白金およびダイヤモンドなど、鏡面衝突するように構成された任意の好適な材料を含むことができる。限定はしないが、スパッタリングおよび蒸着を含む様々なＭＥＭ製造技法のうちのいずれかを使用して、マイクロチャネル２１０上にそのような表面を堆積することができる。さらに、本開示によれば、粒の粗さＲａが１００ｎｍおよび２０ｎｍ程度の滑らかなダイヤモンドフィルムを、チャネル壁上に成長させることができる。１つの実施形態では、ダイヤモンドは、その融点（すなわち、１気圧で約４０００Ｋ）の結果として、またその硬度（すなわち、硬度に関するモース硬度でａ１０）の結果として好ましいことがある。本開示のさらなる実施形態によれば、マイクロチャネル２１０の壁の表面はまた、１７００Ｗ／ｍＫの高い熱伝導率を少なくとも部分的に理由にして、炭化タングステン、ガラス、および熱分解グラファイトを含むことができる。また、マイクロチャネル２１０は、熱分解グラファイト基板上にダイヤモンドナノ粒子フィルムを含むことができる。

図４は、図１の例示的な減速エレメント１２５内のマイクロチャネル４１０の概略図である。チャネル１５２は、減速エレメント１２５中の開口として示され、マイクロチャネル４１０と流体連通する。図４に示されたマイクロチャネル４１０の尺度も同じく、説明を目的としている。マイクロチャネル４１０は、小さくなるように加工することができる（すなわち、好ましい実施形態では、内部表面積は、長さ方向に１ミクロン当たり約３ｅ−１１ｍ^２〜長さ方向に１ミクロン当たり６ｅ−１０ｍ^２程度に小さくすることができ、かかる内部表面積は、近似直径が９ミクロン〜１８０ミクロンのチャネルにそれぞれ対応することができる）。図４に示すように、例示的な実施形態では、マイクロチャネル４１０は、平坦な領域（すなわち、加速エレメント１２５）にほぼ制限され、直線チャネル４２０から入った流体が、マイクロチャネル４１０に入るようにらせん状になっており、流体がチャネル１５２に入るまで半径が減少している弧が記載されている。好ましい実施形態では、チャネル１５２に達するまでの直線チャネル４２０からのマイクロチャネル４１０の全長は、約１０ｍｍから１メートル超とすることができる。さらに、上記で説明したように、減速エレメント１２５が、加速エレメントと減速エレメントとの１００ワット対のうちの一方である好ましい実施形態では、幅Ｗは１００ミリメートルとすることができる。さらに、好ましい実施形態では、マイクロチャネル４１０の壁は、略鏡面とすることができる。

本開示に一致する一実施形態では、マイクロチャネル４１０の壁の表面は、シリコン、タングステン、金、白金およびダイヤモンドなど、鏡面衝突するように構成された任意の好適な材料を含むことができる。限定はしないが、スパッタリングおよび蒸着を含む様々なＭＥＭ製造技法のうちのいずれかを使用して、マイクロチャネル４１０上にそのような表面を堆積させることができる。さらに、本開示によれば、粒の粗さＲａが１００ｎｍおよび２０ｎｍ程度の滑らかなダイヤモンドフィルムを、チャネル壁上に成長させることができる。１つの実施形態では、ダイヤモンドは、その融点（すなわち、１気圧で約４０００Ｋ）の結果として、またその硬度（すなわち、硬度に関するモース硬度でａ１０）の結果として好ましいことがある。本開示のさらなる実施形態によれば、マイクロチャネル４１０の壁の表面はまた、１７００Ｗ／ｍＫの高い熱伝導率を少なくとも部分的に理由にして、炭化タングステン、ガラス、および熱分解グラファイトを含むことができる。また、マイクロチャネル４１０は、熱分解グラファイト基板上にダイヤモンドナノ粒子フィルムを含むことができる。

図５に、インターフェース１３０を介した直線チャネル２２０と直線チャネル４２０との間の接続５１０を示す。

好適な実施形態では、流体が空気である場合、チャネル１５１を比較的高い圧力に保つことができ、チャネル１５２を比較的低い圧力に保つことができ、それにより、複数の加速エレメント１１５および減速エレメント１２５を通る流体の流れが可能になる。好ましい実施形態では、チャネル１５１は、約１気圧以上の圧力を示すことができ、チャネル１５２は、チャネル１５１の圧力の約０．５２８である圧力を示すことができる。

マイクロチャネル２１０の拡大図を示す図６を参照すると、マイクロチャネル２１０の内側部分に（すなわち、流入開口６０１の近傍に）ある流体は、上記で説明したように、圧力差を使用することによって、半径が増大するらせんの中を流れるように誘発される。流入開口６０１における流体の温度がＴ_１である場合、（図３の構成粒子３１０などの）構成粒子は速さの分布によって表すことができ、その平均速さは温度に比例する。

流入開口６０１のスロートが小さい（たとえば、流体が空気である場合、０．０１μｍ^２から５００μｍ^２までのいずれか）場合、流入開口６０１を通って移動してマイクロチャネル２１０に入る流体の構成粒子は、方向６５０に直交する成分よりも大きい、方向６５０に対して平行な成分を有する速度を示すことができる。したがって、マイクロチャネル２１０を通過する流体は、方向６５０に対して支配的に平行な流れの速度を獲得する。方向６５０の流体の流れに関連する運動エネルギーは、流入開口６０１に入る前にはＴ_１であった流体の内部熱エネルギーから引き出される。エネルギー保存により、Ｔ_１の流体の元々の熱エネルギーの一部分が、マイクロチャネル２１０を通過する流体の流れの運動エネルギーに変換されたので、本明細書ではＴ_２と示すマイクロチャネル２１０中の（流れの速度と関連付けられるフレーム中の）流体の温度をＴ_１よりも低くすることができる。また、Ｔ_２がマイクロチャネル２１０の壁６１０の温度（本明細書では、Ｔ_ｗと示す）よりも低い場合、マイクロチャネル２１０中の流体は、加速エレメント１１５を含む材料を冷却することができる。

本開示の実施形態によれば、マイクロチャネル２１０は、この温度変化がマイクロチャネル２１０を通過する流体に対して有する効果を、少なくとも３つの方法で向上させるように構成される。詳細には、壁６１０と構成粒子との間の衝突が略鏡面となるように壁６１０と流体中の構成粒子とが構成される場合、壁６１０と流体との間でエネルギーを伝達する手段であるそのような衝突の、マイクロチャネル２１０を通る流体の流れ全体に対する効果は最も小さくなる。換言すると、構成粒子と壁６１０との間で衝突は、構成粒子の速度が同様に壁６１０から離れた任意の方向になりやすいような場合（すなわち、非鏡面衝突である場合）、複数のそのような衝突は、流体の流れを減速する効果を有し、マイクロチャネル２１０中の流体の内部温度を上げる効果も同様に有する傾向がある。本開示の実施形態によれば、マイクロチャネル２１０は、非鏡面衝突の効果を選択的に回避することによって、冷却の効果を向上させるように構成される。

さらに、マイクロチャネル２１０の外壁は全体的に大きくなるらせんとして構成されているので、マイクロチャネル２１０の壁の連続する部分（部分６１０、６１５および６２０など）からの構成粒子の鏡面散乱は、マイクロチャネル２１０を通る流れの方向に直交した速度成分の一部分（すなわち、径方向の速度成分）を、マイクロチャネル２１０を通る流れの方向に対して平行な成分に変換することができる。マイクロチャネル２１０の経路に沿ってらせんがより大きくなるので、直線チャネル２２０に向かって流体が移動するにつれて、構成粒子と壁との衝突は（マイクロチャネル２１０の経路に沿って）徐々に少なくなる。

その上、マイクロチャネル２１０は、小さくなるように加工される（すなわち、好ましい実施形態では、内部表面積は、長さ方向に１ミクロン当たり約３ｅ−１１ｍ^２〜長さ方向に１ミクロン当たり６ｅ−１０ｍ^２程度に小さくすることができる）ので、次いで、マイクロチャネル２１０の壁によって提示された表面積とマイクロチャネル２１０内の任意の領域中の流体の所与の体積との比は、比較的大きくなる（すなわち、上述の表面によって囲まれた流体の体積は、長さ方向に１ミクロン当たり８ｅ−１７ｍ^３〜長さ方向に１ミクロン当たり３ｅ−１５ｍ^３となる）。マイクロチャネル２１０の壁によって流体の体積に提示される表面積は、壁と流体１１５との間のエネルギー交換の主要な手段であるので、これは、流体とマイクロチャネル２１０との間のエネルギー交換相互作用全体を最大にする傾向があり得る。

たとえば、図６に示すように、構成粒子は、方向６５０に対して支配的に平行な成分とともに流入開口６０１に入り、マイクロチャネル２１０の壁の局所領域６１０と鏡面衝突し、方向６５１の速度成分を獲得するすることができる。次に、構成粒子は、マイクロチャネル２１０の壁の局所領域６１５と鏡面衝突し、方向６５２の速度成分を獲得することができる。構成粒子は、マイクロチャネル２１０の壁の局所領域６２０と鏡面衝突し、マイクロチャネル２１０の全般的な方向に沿ったさらなる速度成分を獲得することができる。

角度βは、法線６２５と法線６３０との間の角度オフセットに対応する。角度αは、法線６３０と法線６３５との間の角度オフセットに対応する。好ましい実施形態では、第１の壁部分と第２の壁部分との間の間隔が、その間隔の上のマイクロチャネルの最大幅の少なくともＮ倍（ただし、Ｎは整数とすることができる）である場合、第１の法線と第２の法線との間の角度オフセットはＮ／１０度未満とすることができる。同様に、第２の壁部分と第３の壁部分との間の間隔が、その間隔の上のマイクロチャネルの最大幅の少なくともＮ倍である場合、第２の法線と第３の法線との間の角度オフセットはＮ／１０度未満とすることができる。たとえば、好ましくは、第１の壁部分と第２の壁部分との間の間隔（および、第２の壁部分と第３の壁部分との間の間隔）が、その間隔の上でマイクロチャネルの最大幅の少なくとも２５倍である場合、第１の法線と第２の法線と（および、第２の法線と第３の法線と）の間の角度オフセットは２．５度未満である。同じく、好ましくは、局所領域６１０と局所領域６１５との間の間隔が、その間隔の上のマイクロチャネル２１０の最大幅の少なくとも５０倍である場合、法線６２５と法線６３０との間の角度オフセットは５度未満とすることができる。同様に、好ましくは、局所領域６１５と局所領域６２０との間の間隔が、その間隔の上のマイクロチャネル２１０の最大幅の少なくとも５０倍である場合、法線６３０と法線６３５との間の角度オフセットは５度未満とすることができる。

このようにすると、マイクロチャネル２１０の壁との鏡面衝突を示すように流体が構成されている場合、流体を通過させることよって加速エレメント１１５を冷却することができる。その上、加速エレメント１１５を通過する流体を加速することができ、すなわち、流体が直線チャネル２２０に達したとき、流体の構成粒子の速度成分は、接続５１０につながる直線チャネル２２０に支配的に沿っている。

いくらか要約すると、本開示によれば、流体中の構成粒子（すなわち、分子線中の分子）の並進運動エネルギー（ＴＫＥ）は、表面との衝突によって低減することができる。流体から表面に伝達されるＴＫＥの割合は、流体の速度、表面の滑らかさ、流体中の構成粒子の内部運動エネルギー、および表面の運動エネルギー密度に依存することができる。

特定の２乗平均（ＲＭＳ）速度および一定の平均入射角をもつ（分子線としての）流体は、より高いエネルギー密度で配置されているとき、同じ表面ではなく、より低い運動エネルギー密度をもつ滑らかな表面により多くのエネルギーを伝達することができる。表面のエネルギー密度が、衝突している分子線のエネルギー密度に対して十分に高い場合、分子線から表面にエネルギーは伝達されない。

表面への正味のエネルギー伝達を生じる表面衝突は、流体中の構成粒子の内部運動エネルギーレベルを低減することができる。分子の内部エネルギーレベルは、（振動エネルギーレベルなどを通じて）十分に低減されると、低減された内部エネルギーレベルに相応する周波数の１つまたは複数の光子を放出することができる。

減速エレメント１２５に同じ動作原理をあてはめることができ、マイクロチャネル４１０は、徐々に小さくなる半径を直線チャネル４２０からチャネル１５２まで通過する流体に提示するらせんとして構成される。このようにすると、接続５１０から直線チャネル４２０に達する高速度の流体は、チャネル１５２に向かって流体が移動するにつれて、壁と（マイクロチャネル２１０の経路に沿って）ますます多く衝突する。

加速エレメント１１５およびマイクロチャネル２１０と同様に、減速エレメント１２５のマイクロチャネル４１０の壁は、マイクロチャネル４１０を通過する流体中の構成粒子が鏡面衝突するように構成される。

さらに、流体の構成粒子が分子である場合（かつ、たとえば、流体が気体である場合）、構成粒子のある特定の振動状態は、マイクロチャネル４１０とチャネル１５２との間の内側開口の近くで達成される温度の上昇の結果としてポピュレートすることができる。

本開示によれば、冷却電子機器、冷凍、空気調節および他の適用例のために使用することができる（加速エレメント１１５および減速エレメント１２５などの）ＭＥＭＳデバイス中の分子線は、高いＲＭＳ速度を示すことができる。ＲＭＳ速度が毎秒２，０００メートルである室内空気で構成される分子線は、４，０００Ｋ以上の静止空気の並進運動エネルギーと、ほとんどの材料の融点を優に超える温度とを有する。冷凍システムの高温側熱交換器は、好ましくは、融点がわずか９３３Ｋ以下のアルミニウムおよび熱伝導性プラスチックのような従来の材料で構成された熱交換器に損傷を与えることなく、正確な量の並進運動エネルギーと内部運動エネルギーの両方を加速された分子線から抽出する能力を有する。

表面のエネルギー密度に対して高いエネルギー密度をもつ高速分子線の並進運動エネルギーレベルの漸進的低減により、延長された表面長さにわたる表面へのエネルギー伝達が可能になる。これは、より集中した抽出によりチャネルが損傷するか、または実用的な限界を超えてデバイスの温度が上昇するときに、分子線からエネルギーを抽出する望ましい方法である。この漸進的エネルギー抽出手法を用いると、融点が９３３Ｋであるアルミニウム製の冷凍システムの高温側熱交換器を使用して、熱交換デバイスのチャネルに損傷を与えることなく、かつ、熱交換器デバイスの外側表面の任意の部分を過熱することなく、ＲＭＳ速度が２，０００ｍ／ｓ以上の高エネルギー分子線から抽出されたエネルギーを外部環境に伝達することができる。漸進的運動エネルギー抽出方法を用いると、実際には、セラミックスおよび熱伝導ポリマーを含む任意の共形のチャネル材料を、高温側熱交換器適用例のチャネルおよび熱パッケージとして使用することができる。

本明細書に記載するように、分子線が、半径が徐々に減少する弧と連続して表面衝突するとき、並進運動エネルギーと内部運動エネルギーとが徐々に抽出される。様々なＭＥＭＳデバイスチャネル設計により、分子線は、半径が徐々に減少する弧とそのように連続して衝突することができるようになる。たとえば、初めの半径は大きく、半径全長にわたってより小さい半径まで徐々に減少するらせんとして構成されたチャネルと、減衰チャネルのすべての直径で表面に極めて近接させたままにするために、らせん運動の遠心力を使用して減衰チャネルを通って進むらせん状の分子線とは、そのような設計の２つの例である。任意の漸進的エネルギー抽出設計は、急に減速または停止されることにより、より高い周波数放出を生成することができる場合、分子線のエネルギー含有量が平均であるときであっても、分子線の運動エネルギーを光の赤外線波長と光学波長とに容易に変換できるようにするのに役立つ。より高い周波数放出を必要とする適用例の場合、もちろん、より迅速なエネルギー抽出方法を可能にする設計を適用することができ、そのような設計は本開示の範囲内である。

分子線の並進エネルギーから衝突表面温度へのエネルギーの近似伝達について記述する式は、運動理論を通じて導き出すことができる。式（３ｋＴ）／２＝（ｍｖ^２）／２中、ｋはボルツマン定数であり、Ｔはケルビン温度であり、ｍは質量であり、ｖは速度である。エネルギーは速度の２乗で増加するので、より速い分子線を毎秒１メートルずつ減速することによって表面に伝達され得る運動エネルギーの量は、速度が同様に低減されたより遅い分子線によって同じ表面に伝達され得る量よりも多くすることができる。衝突表面および外側表面に延びる熱経路の局所的温度は、既知の速度範囲の分子線との相補的な衝突角度を用いて制御することができる。

高エネルギー分子線からの運動エネルギーを徐々に吸収する、本開示に一致する熱交換器は、分子線からの運動エネルギーが、熱交換器の内側チャネル表面によって吸収されるにつれて加熱され得る。内側チャネル表面と熱交換器の外側表面との間に十分な伝導性をもつ熱経路があると仮定すると、熱交換器および分子線チャネル表面は、熱交換器から周囲環境への熱伝達の従来の手段を用いて、周囲環境とともに任意の所望のデルタＴ（温度の変化）に維持することができる。チャネル表面に沿って分子線から均等にエネルギーを抽出する熱交換器は、ほぼ等温状態を極めて近く近似することができる。

平衡化された分子線から抽出されたエネルギーを使用して、チャネルキャビティ中のエネルギーモードを正確に量子化することができる。予測可能なエネルギーをもつ光の放射は、プランク定数×周波数に等しいプランクの放射公式によって求められる。プランクの放射公式を使用して、ＭＥＭＳデバイスチャネルから放出された光の任意の所望の周波数の平均エネルギーを計算することができる。

また、コリメートされ、平衡化された分子線が、高度に分解された量のエネルギーをチャネルの表面に伝達するとき、連続するコヒーレント自然放出が生じ得る。任意のレーザーアプリケーション、およびチャネルから光子放出の光束通路中でフォトダイオードアレイによって生じるような電流への光エネルギーの変換を含む実際の目的のために、光の放出された周波数に対するチャネル透過性は、光がチャネルをエスケープすることを可能にする。電流の電圧は、チャネル材料のバンドギャップエネルギーに関係し得る。コヒーレント放出は、狭帯域幅のフォトダイオードは、抽出されたエネルギーを分子線から所望の電圧の電流に効率的に変換することを可能にすることができる。

いくつかのチャネルからのコヒーレント放出および同相放出は、ウルトラフラットウェハ表面を使用して、ＭＥＭＳデバイス上の一連の平行なチャネル表面から容易に行うことができる。コヒーレント放出のエネルギー密度は、平行なチャネル間にサブミクロンギャップで達成することができる。優れた光学的均一性をもつ光学透過性チャネルとＵＶ透過性チャネルを備えるＭＥＭＳデバイスは、様々な材料を使用して製造することができる。シリコンは、いくつかの赤外周波数に好適な透過性を有する光学的均一性を提供することができ、ゲルマニウムおよびＡｍｔｉｒも同様に可能である。サファイア、イットリアおよびイットリウムアルミナガーネットは、同様に、赤外線の優れた光透過を提供する。光学ガラスは、ＵＶ波長および光波長のために使用することができる。

好ましい実施形態では、アーキテクチャまたはマイクロチャネル２１０およびマイクロチャネル４１０は、ポンプパワー要件を低減することができる。そのようなアーキテクチャに少なくとも部分的に起因して、パフォーマンス係数（「ＣＯＰ」）に関連する値は１０以上とすることができる。

本開示に一致するさらなる実施形態では、ＣＯＰの値は様々な圧力で動作することによって１０以上となり得る。たとえば、例示的な実施形態では、構成粒子（または分子）単位で必要とされるパワーは、圧力ではなく、圧力比の関数である。より高い圧力で動作するが、同じ圧力比を示すように構成される例示的なシステム１００の場合、構成粒子当たりのポンピングコストは同じままであるが、構成粒子（すなわち、より高い密度の分子線）がより高い熱伝達率を提供することができる場合のより高密度の流れは、１０以上のＣＯＰを生成することができる。

上述した例示的なデバイスのような本開示に一致する材料および構成要素は、特定された問題のすべてに対する解決策を提案する。

本開示に一致する他の実施形態は、明細書を考察し、本明細書に開示された実施形態を実施することにより、当業者には明らかになるであろう。明細書および各例は単に例として見なされるべきであり、本発明の本来の範囲および趣旨は添付の特許請求の範囲によって示される。

Claims

壁部分を備えるマイクロチャネルと、
構成粒子を含む流体と
を備える装置であって、
前記マイクロチャネルが、前記マイクロチャネルの断面に実質的に直交する第１の方向の前記流体の流れを受け入れるように構成され、
前記壁部分および前記構成粒子は、前記構成粒子と前記壁部分との間の衝突が略鏡面となるように構成され、
前記壁部分が、第１の壁部分と、第２の壁部分と、第３の壁部分と、第１の中間壁部分と、第２の中間壁部分とを少なくともを備え、
前記第１の壁部分の境界は、前記第１の中間壁部分の第１の境界と隣接し、前記第２の壁部分の第１の境界は、前記第１の中間壁部分の第２の境界と隣接し、前記第２の壁部分の第２の境界は、前記第２の中間壁部分の第１の境界と隣接し、前記第３の壁部分の境界は、前記第２の中間壁部分の第２の境界と隣接し、それにより、前記第１の壁部分と前記第１の中間壁部分と前記第２の壁部分と前記第２の中間壁部分と前記第３の壁部分とが前記マイクロチャネルの前記壁の連続部分を形成し、
前記第１の壁部分に対する第１の法線は、前記第２の壁部分に対する第２の法線に対して平行ではなく、前記第３の壁部分に対する第３の法線に対しても平行ではなく、また前記第２の法線も前記第３の法線に対して平行ではなく、
前記第１の法線と前記第２の法線との間の角度オフセットは９０度未満であり、前記第２の法線と前記第３の法線との間の角度オフセットとほぼ同じである、
装置。
前記第１の壁部分と前記第２の壁部分の間の間隔が、その間隔の上のマイクロチャネルの最大幅の少なくとも整数Ｎ倍である、請求項１に記載の装置。
前記第１の法線と前記第２の法線との間の前記角度オフセットが、Ｍ度未満（ただし、Ｍ＝Ｎ／１０）である、請求項２に記載の装置。
前記第１の壁部分と前記第２の壁部分との間の間隔が、その間隔の上のマイクロチャネルの最大幅の少なくとも２５倍である、請求項１に記載の装置。
前記第１の法線と前記第２の法線との間の前記角度オフセットが２．５度未満である、請求項４に記載の装置。
前記第１の壁部分と前記第２の壁部分との間の間隔が、その間隔の上のマイクロチャネルの最大幅の少なくとも５０倍である、請求項１に記載の装置。
前記第１の法線と前記第２の法線との間の前記角度オフセットが５度未満である、請求項６に記載の装置。
前記流体が気体である、請求項１に記載の装置。
前記気体が空気を含む、請求項８に記載の装置。
前記マイクロチャネルが、平坦な領域に実質的に制限される、請求項１に記載の装置。
前記マイクロチャネルの経路が、内側部分と外側部分とをもつらせんであり、前記外側部分の半径が前記内側部分の半径よりも大きい、請求項１０に記載の装置。
前記流体マイクロチャネルの流れが、前記内側部分から前記外側部分までである、請求項１１に記載の装置。
前記流体マイクロチャネルの流れが、前記外側部分から前記内側部分までである、請求項１１に記載の装置。
請求項１２の装置を備える加速エレメントと、
請求項１３の装置を備える減速エレメントと、
前記加速エレメントのマイクロチャネルおよび前記減速エレメントのマイクロチャネルと流体連通するマイクロチャネルを備えるインターフェースと
を備える熱交換のためのシステムであって、
前記加速エレメントの前記流体は、実質的に第１の圧力の前記流体の第１の部分を備え、前記減速エレメントの前記流体は、前記第１の圧力よりも低い実質的に第２の圧力の前記流体の第２の部分を備える、
熱交換のためのシステム。
前記構成粒子が、分子または原子のうちの少なくとも１つから選択される、請求項１に記載の装置。
前記マイクロチャネルの断面が実質的に円形である、請求項１に記載の装置。
前記マイクロチャネルの断面が実質的に楕円である、請求項１に記載の装置。
前記マイクロチャネルの断面が実質的に正方形である、請求項１に記載の装置。
前記マイクロチャネルの断面が実質的に長方形である、請求項１に記載の装置。
前記減速エレメントの近傍に熱電デバイスをさらに備える、請求項１４に記載のシステム。
前記減速エレメントの近傍に光電デバイスをさらに備える、請求項１４に記載のシステム。
前記減速エレメントに伝導的に固定された熱交換エレメントをさらに備える、請求項１４に記載のシステム。
前記加速エレメントに伝導的に固定された熱交換エレメントをさらに備える、請求項１４に記載のシステム。
前記加速エレメントおよび前記減速エレメントが、少なくとも１００ワットのレートで、前記加速エレメントから前記減速エレメントに熱エネルギーを伝達するように構成される、請求項１４に記載のシステム。
前記加速エレメントおよび前記減速エレメントの各々が、約１００ミリメートル×１００ミリメートルである、請求項２４に記載のシステム。
前記加速エレメントの前記マイクロチャネルの少なくとも一部分と、前記減速エレメントの前記マイクロチャネルの少なくとも一部分とが、それぞれ、長さ方向に１ミクロン当たり約３ｅ−１１ｍ^２〜長さ方向に１ミクロン当たり６ｅ−１０ｍ^２の内部表面積を有するように構成される、請求項２５に記載のシステム。
前記壁部分が、スパッタリングを使用して堆積された材料を備える、請求項１に記載の装置。
前記壁部分が、蒸着を使用して堆積された材料を備える、請求項１に記載の装置。
前記壁部分が融点が高い材料を備える、請求項１に記載の装置。
前記壁部分が高密度の材料を備える、請求項１に記載の装置。
前記壁部分が、コーティング材料をさらに備える、請求項１に記載の装置。
前記壁部分が、スパッタリングを使用して基板材料上に堆積されたコーティング材料を備え、前記構成粒子と前記壁部分の間の前記略鏡面衝突が、前記構成粒子と前記コーティング材料との間の略鏡面衝突を含む、請求項１に記載の装置。
前記壁部分が、蒸着を使用して基板材料上に堆積されたコーティング材料を備え、前記構成粒子と前記壁部分の間の前記略鏡面衝突が、前記構成粒子と前記コーティング材料との間の略鏡面衝突を備える、請求項１に記載の装置。
前記基板が銅である、請求項３２に記載の装置。
前記コーティング材料がタングステンである、請求項３４に記載の装置。
前記壁部分が、全体的に滑らかになるように製造される、請求項１に記載の装置。
壁部分を備えるマイクロチャネルを提供することと、
構成粒子を含む流体を提供することと、
前記壁部分に隣接して前記流体の流れを誘発すること
を含む方法であって、
前記マイクロチャネルが、前記マイクロチャネルの断面に実質的に直交する第１の方向の流体の流れを受け入れるように構成され、
前記壁部分および前記構成粒子は、前記構成粒子と前記壁部分との間の衝突が略鏡面となるように構成され、
前記壁部分が、第１の壁部分と、第２の壁部分と、第３の壁部分と、第１の中間壁部分と、第２の中間壁部分とを少なくともを備え、
前記第１の壁部分の境界は、前記第１の中間壁部分の第１の境界と隣接し、前記第２の壁部分の第１の境界は、前記第１の中間壁部分の第２の境界と隣接し、前記第２の壁部分の第２の境界は、前記第２の中間壁部分の第１の境界と隣接し、前記第３の壁部分の境界は、前記第２の中間壁部分の第２の境界と隣接し、それにより、前記第１の壁部分と前記第１の中間壁部分と前記第２の壁部分と前記第２の中間壁部分と前記第３の壁部分とが前記マイクロチャネルの前記壁の連続部分を形成し、
前記第１の壁部分に対する第１の法線は、前記第２の壁部分に対する第２の法線に対して平行ではなく、前記第３の壁部分に対する第３の法線に対しても平行ではなく、また前記第２の法線も前記第３の法線に対して平行ではなく、
前記第１の法線と前記第２の法線との間の角度オフセットは９０度未満であり、前記第２の法線と前記第３の法線との間の角度オフセットとほぼ同じである、
方法。
前記第１の壁部分と前記第２の壁部分の間の間隔が、その間隔の上のマイクロチャネルの最大幅の少なくとも整数Ｎ倍である、請求項３７に記載の方法。
前記第１の法線と前記第２の法線との間の前記角度オフセットが、Ｍ度未満（ただし、Ｍ＝Ｎ／１０）である、請求項３８に記載の方法。
前記第１の壁部分と前記第２の壁部分との間の間隔が、その間隔の上のマイクロチャネルの最大幅の少なくとも２５倍である、請求項３７に記載の方法。
前記第１の法線と前記第２の法線との間の前記角度オフセットが２．５度未満である、請求項４０に記載の方法。
前記第１の壁部分と前記第２の壁部分との間の間隔が、その間隔の上のマイクロチャネルの最大幅の少なくとも５０倍である、請求項３７に記載の方法。
前記第１の法線と前記第２の法線との間の前記角度オフセットが５度未満である、請求項４２に記載の方法。
壁部分を備えるマイクロチャネルを提供する前記ステップが、第１の時間に第１の温度の前記壁部分を提供することを含み、前記流体の一部分が、前記第１の時間と前記第１の時間よりも後の第２の時間との間の時間期間中に前記マイクロチャネルを通って流れ、
前記壁部分は、前記第２の時間に前記第１の温度よりも低い第２の温度を示す、
請求項３７に記載の方法。
前記流体が気体である、請求項３７に記載の方法。
前記気体が空気を含む、請求項４５に記載の方法。
前記構成粒子が、分子または原子のうちの少なくとも１つから選択される、請求項３７に記載の方法。
前記マイクロチャネルが、平坦な領域に実質的に制限される、請求項３７に記載の方法。
前記マイクロチャネルの経路が、内側部分と外側部分とをもつらせんであり、前記外側部分の半径が前記内側部分の半径よりも大きい、請求項４８に記載の方法。
前記流体マイクロチャネルの流れが、前記内側部分から前記外側部分までである、請求項４９に記載の方法。
前記流体マイクロチャネルの流れが、前記外側部分から前記内側部分までである、請求項４９に記載の方法。
請求項５０の方法を含む、加速エレメントを提供することと、
請求項５１の方法を含む、減速エレメントを提供することと、
前記加速エレメントの前記マイクロチャネルおよび前記減速エレメントの前記マイクロチャネルと流体連通するマイクロチャネルを備えるインターフェースを提供することと
を含む熱交換の方法であって、
前記加速エレメントの前記流体は、実質的に第１の圧力の前記流体の第１の部分を備え、前記減速エレメントの前記流体は、前記第１の圧力よりも低い実質的に第２の圧力の前記流体の第２の部分を備える、
熱交換の方法。
前記マイクロチャネルの断面が実質的に円形である、請求項３７に記載の方法。
前記マイクロチャネルの断面が実質的に楕円である、請求項３７に記載の方法。
前記マイクロチャネルの断面が実質的に正方形である、請求項３７に記載の方法。
前記マイクロチャネルの断面が実質的に長方形である、請求項３７に記載の方法。
前記減速エレメントの近傍に熱電デバイスを提供することをさらに備える、請求項５２に記載の方法。
前記減速エレメントの近傍に光電デバイスを提供することをさらに備える、請求項５２に記載の方法。
前記減速エレメントに伝導的に固定された熱交換エレメントを提供することをさらに備える、請求項５２に記載の方法。
前記加速エレメントに伝導的に固定された熱交換エレメントを提供することをさらに備える、請求項５２に記載の方法。
前記加速エレメントおよび前記減速エレメントが、少なくとも１００ワットのレートで、前記加速エレメントから前記減速エレメントに熱エネルギーを伝達するように構成される、請求項５２に記載の方法。
前記加速エレメントおよび前記減速エレメントの各々が、約１００ミリメートル×１００ミリメートルである、請求項６１に記載の方法。
前記加速エレメントの前記マイクロチャネルの少なくとも一部分と、前記減速エレメントの前記マイクロチャネルの少なくとも一部分とが、それぞれ、長さ方向に１ミクロン当たり約３ｅ−１１ｍ^２〜長さ方向に１ミクロン当たり６ｅ−１０ｍ^２の内部表面積を有するように構成される、請求項６２に記載の方法。
壁部分を備えるマイクロチャネルを提供することが、スパッタリングを使用して、前記マイクロチャネルの表面上に材料を堆積させることを含む、請求項３７に記載の方法。
壁部分を備えるマイクロチャネルを提供することが、蒸着を使用して、前記マイクロチャネルの表面上に材料を堆積させることを含む、請求項３７に記載の方法。
前記壁部分が融点が高い材料を備える、請求項３７に記載の方法。
前記壁部分が高密度の材料を備える、請求項３７に記載の方法。
前記表面が銅である、請求項６４に記載の方法。
前記材料がタングステンである、請求項６８に記載の方法。
前記壁部分が、全体的に滑らかになるように製造される、請求項３７に記載の方法。