RU2566874C2 - Heat and power exchange device and method - Google Patents

Heat and power exchange device and method Download PDF

Info

Publication number
RU2566874C2
RU2566874C2 RU2012153238/06A RU2012153238A RU2566874C2 RU 2566874 C2 RU2566874 C2 RU 2566874C2 RU 2012153238/06 A RU2012153238/06 A RU 2012153238/06A RU 2012153238 A RU2012153238 A RU 2012153238A RU 2566874 C2 RU2566874 C2 RU 2566874C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
wall
microchannel
boundary
fluid
gas
Prior art date
Application number
RU2012153238/06A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2012153238A (en
Inventor
Скотт ДЕЙВИС
Original Assignee
Форсед Физикс Ллк
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Форсед Физикс Ллк filed Critical Форсед Физикс Ллк
Publication of RU2012153238A publication Critical patent/RU2012153238A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2566874C2 publication Critical patent/RU2566874C2/en

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F13/00—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing
    • F28F13/18—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by applying coatings, e.g. radiation-absorbing, radiation-reflecting; by surface treatment, e.g. polishing
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D15/00—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F1/00—Tubular elements; Assemblies of tubular elements
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D15/00—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies
    • F28D15/02—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes
    • F28D2015/0225—Microheat pipes
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F2260/00—Heat exchangers or heat exchange elements having special size, e.g. microstructures
    • F28F2260/02—Heat exchangers or heat exchange elements having special size, e.g. microstructures having microchannels

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)
  • Micromachines (AREA)

Abstract

FIELD: power industry.
SUBSTANCE: invention relates to heat engineering and can be used in heat exchangers for microdevices. The materials, components and methods intended at fabrication and use of microscale channels with the fluid medium for system of heat exchange are presented, and temperature and a flow of the fluid medium is regulated, partially, at the expense of macroscopic geometry of the microscale channel and selection at least of part of a wall of the microscale channel and components of the particles forming the fluid medium. Besides, the wall of the microscale channel and the making particles are selected so that collisions between the component particles and a wall to be, mainly, mirror. The accelerating and decelerating elements provided here can be implemented with microscale channels which can have, as a rule, a spiral trajectory.
EFFECT: expanding the method armoury.
25 cl, 6 dwg

Description

Настоящая заявка претендует на приоритет согласно предварительной заявке на изобретение США №61/347446, поданной 23 мая 2010 г., содержание которой включено здесь в качестве ссылки. Настоящая заявка связана с находящейся одновременно на рассмотрении заявкой США №12/585981, поданной 30 сентября 2009 г., содержание которой включено здесь в качестве ссылки, и которая сама претендует на приоритет по предварительной заявке США №61/101227, поданной 30 сентября 2008 г.This application claims priority according to provisional application for US invention No. 61/347446, filed May 23, 2010, the contents of which are incorporated herein by reference. This application is related to U.S. Application No. 12/585981, filed September 30, 2009, the contents of which are incorporated herein by reference, and which itself claims priority on US Provisional Application No. 61/101227, filed September 30, 2008 .

Область техники, к которой относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION

Материалы, компоненты и способы согласно настоящему изобретению направлены на изготовление и использование микромасштабных каналов с текучей средой, причем микромасштабные каналы расположены в соответствии с определенными макроскопическими конфигурациями так, чтобы по меньшей мере частично регулировать температуру и поток текучей среды.The materials, components, and methods of the present invention are directed to the manufacture and use of micro-scale fluid channels, the micro-scale channels being arranged in accordance with certain macroscopic configurations so as to at least partially control the temperature and flow of the fluid.

Уровень техникиState of the art

Объем текучей среды, такой как воздух, можно охарактеризовать температурой и давлением. При рассмотрении совокупности составляющих частиц, содержащих, например, молекулы кислорода и азота, объем текучей среды при данной температуре можно, кроме того, охарактеризовать как распределение скоростей составляющих частиц. Такое распределение можно охарактеризовать, главным образом, средней скоростью, которая, как понятно, связана с температурой текучей среды (например, газа).The volume of a fluid, such as air, can be characterized by temperature and pressure. When considering the totality of constituent particles containing, for example, oxygen and nitrogen molecules, the volume of the fluid at a given temperature can, in addition, be characterized as the velocity distribution of the constituent particles. Such a distribution can be characterized mainly by the average velocity, which, as is clear, is related to the temperature of the fluid (for example, gas).

Соответственно, внутренняя тепловая энергия текучей среды может служить источником энергии для применения, связанного с нагреванием, охлаждением и созданием потока текучей среды.Accordingly, the internal thermal energy of the fluid can serve as an energy source for applications related to heating, cooling, and creating a fluid flow.

Раскрытие изобретенияDisclosure of invention

В одном аспекте варианты воплощения изобретения могут предусматривать систему, которая использует один или более микромасштабных каналов («микроканал»), скомпонованных так, чтобы вмещать поток текучей среды, причем стенки микроканала и составляющие частицы в текучей среде подобраны так, чтобы столкновения между составляющими частицами и стенками микроканала являлись, главным образом, зеркальными. Кроме того, микроканал может быть упорядочен в макроскопической конфигурации для обеспечения по меньшей мере одной стенки, с по меньшей мере первой частью стенки, которая по меньшей мере приблизительно плоская, второй частью стенки, которая по меньшей мере приблизительно плоская, третьей частью стенки, которая приблизительно плоская, первой промежуточной частью стенки и второй промежуточной частью стенки, причем граница первой части стенки является смежной с первой границей первой промежуточной части стенки, первая граница второй части стенки является смежной со второй границей первой промежуточной части стенки, вторая граница второй части стенки является смежной с первой границей второй промежуточной части стенки, и граница третьей части стенки является смежной со второй границей второй промежуточной части стенки, так что первая часть стенки, первая промежуточная часть стенки, вторая часть стенки, вторая промежуточная часть стенки и третья часть стенки образуют смежную стенку части микроканала. Кроме того, варианты воплощения изобретения могут предусматривать, что первый перпендикуляр к приблизительной плоскости, определенной первой частью стенки, не параллелен второму перпендикуляру к приблизительной плоскости, определенной второй частью стенки, а также не параллелен третьему перпендикуляру к приблизительной плоскости, определенной третьей частью стенки, причем второй перпендикуляр также не параллелен третьему перпендикуляру. Кроме того, варианты воплощения изобретения могут предусматривать, что угловое смещение между первым перпендикуляром и вторым перпендикуляром составляет меньше чем 90 градусов, и примерно равно угловому смещению между вторым перпендикуляром и третьим перпендикуляром. Там, где интервал между первой частью стенки и второй частью стенки по меньшей мере N раз кратен наибольшей ширине микроканала в этом интервале (где N может быть целым числом), угловое смещение между первым перпендикуляром и вторым перпендикуляром может быть меньше чем N/10 градусов. Аналогично, там, где интервал между второй частью стенки и третьей частью стенки по меньшей мере N раз кратен наибольшей ширине микроканала в этом интервале, угловое смещение между вторым перпендикуляром и третьим перпендикуляром может быть меньше чем N/10 градусов. Только для примера, там, где интервал между первой частью стенки и второй частью стенки (и интервал между второй частью стенки и третьей частью стенки), по меньшей мере, двадцатипятикратен наибольшей ширине микроканала в этом интервале, угловое смещение между первым перпендикуляром и вторым перпендикуляром (и вторым перпендикуляром и третьим перпендикуляром) может быть меньше чем 2,5 градуса. Аналогично, только для примера, там, где интервал между первой частью стенки и второй частью стенки по меньшей мере пятидесятикратен наибольшей ширине микроканала в этом интервале, угловое смещение между первым перпендикуляром и вторым перпендикуляром может быть меньше чем 5 градусов.In one aspect, embodiments of the invention may provide a system that utilizes one or more micro-scale channels (“microchannels”) configured to contain a fluid stream, wherein the microchannel walls and constituent particles in the fluid are selected so that collisions between constituent particles and the walls of the microchannel were mainly mirrored. In addition, the microchannel can be ordered in a macroscopic configuration to provide at least one wall, with at least a first part of the wall, which is at least approximately flat, a second part of the wall, which is at least approximately flat, and a third part of the wall, which is approximately flat, the first intermediate part of the wall and the second intermediate part of the wall, and the boundary of the first part of the wall is adjacent to the first border of the first intermediate part of the wall, the first border of the second part and the wall is adjacent to the second boundary of the first intermediate wall portion, the second boundary of the second wall portion is adjacent to the first boundary of the second intermediate wall portion, and the boundary of the third wall portion is adjacent to the second boundary of the second intermediate wall portion, so that the first wall portion, the first intermediate a wall part, a second wall part, a second intermediate wall part and a third wall part form an adjacent wall of the microchannel part. In addition, embodiments of the invention may provide that the first perpendicular to the approximate plane defined by the first wall part is not parallel to the second perpendicular to the approximate plane defined by the second wall part and also not parallel to the third perpendicular to the approximate plane defined by the third wall part, the second perpendicular is also not parallel to the third perpendicular. In addition, embodiments of the invention may provide that the angular displacement between the first perpendicular and the second perpendicular is less than 90 degrees, and approximately equal to the angular displacement between the second perpendicular and the third perpendicular. Where the interval between the first part of the wall and the second part of the wall is at least N times the largest width of the microchannel in this interval (where N can be an integer), the angular displacement between the first perpendicular and the second perpendicular can be less than N / 10 degrees. Similarly, where the interval between the second wall part and the third wall part is at least N times a multiple of the largest microchannel width in this interval, the angular displacement between the second perpendicular and the third perpendicular can be less than N / 10 degrees. For example only, where the interval between the first part of the wall and the second part of the wall (and the interval between the second part of the wall and the third part of the wall) is at least twenty-five times the largest width of the microchannel in this interval, the angular displacement between the first perpendicular and the second perpendicular ( and the second perpendicular and third perpendicular) may be less than 2.5 degrees. Similarly, by way of example only, where the interval between the first part of the wall and the second part of the wall is at least fifty times the largest width of the microchannel in this interval, the angular displacement between the first perpendicular and the second perpendicular can be less than 5 degrees.

В другом аспекте варианты воплощения изобретения могут предусматривать управление потоком и температурой объема текучей среды, причем текучая среда может содержать молекулы и может предусматривать распределение молекулярных колебательных уровней путем усиления нагрева объема текучей среды. Поскольку таким колебательно-возбужденным молекулам позволено вернуться в состояние равновесия, варианты воплощения изобретения могут, таким образом, предусматривать создание электромагнитного излучения и управление им.In another aspect, embodiments of the invention may include controlling the flow and temperature of the volume of the fluid, the fluid may contain molecules and may include the distribution of molecular vibrational levels by enhancing heating of the volume of the fluid. Since such vibrationally excited molecules are allowed to return to a state of equilibrium, embodiments of the invention may thus include the creation and control of electromagnetic radiation.

В следующем аспекте варианты воплощения изобретения могут предусматривать управление потоком и температурой объема жидкости, и могут предусматривать практическое применение, начиная с нагрева и охлаждения, замораживания, производства электроэнергии, когерентного и некогерентного светового излучения, перекачки газа, производства плазмы и пучка частиц, ускорения пучка частиц, химических процессов и прочего.In a further aspect, embodiments of the invention may provide for controlling the flow and temperature of the liquid volume, and may include practical applications starting with heating and cooling, freezing, generating electricity, coherent and incoherent light radiation, pumping gas, producing plasma and a particle beam, accelerating a particle beam , chemical processes and other things.

Дополнительные цели и преимущества изобретения будут изложены частично в последующем описании, и частично будут очевидны из описания, или могут быть изучены при практическом применении вариантов воплощения изобретения в соответствии с описанием. Цели и преимущества могут быть выполнены и достигнуты с помощью элементов и комбинаций, конкретно указанных в прилагаемой формуле изобретения.Additional objectives and advantages of the invention will be set forth in part in the description that follows, and in part will be apparent from the description, or may be learned by practice of embodiments of the invention as described. Objectives and advantages can be fulfilled and achieved with the help of elements and combinations specifically indicated in the attached claims.

Понятно, что предыдущее общее описание и последующее подробное описание являются примерными и пояснительными, и не ограничивающими объем изобретения согласно формуле.It is understood that the foregoing general description and the following detailed description are exemplary and explanatory, and do not limit the scope of the invention according to the claims.

Краткое описание графических материаловA brief description of the graphic materials

Прилагаемые чертежи, которые включены и составляют часть настоящего описания изобретения, иллюстрируют один из вариантов воплощения изобретения, и, вместе с описанием, служат для объяснения принципов изобретения.The accompanying drawings, which are included and form part of the present description of the invention, illustrate one embodiment of the invention, and, together with the description, serve to explain the principles of the invention.

На фиг.1 изображена типичная система теплообмена согласно настоящему изобретению;Figure 1 shows a typical heat exchange system according to the present invention;

Фиг.2 - типичный вид микроканалов в ускоряющем элементе системы по фиг.1;Figure 2 - a typical view of the microchannels in the accelerating element of the system of figure 1;

Фиг.3 - типичная иллюстрация зеркального столкновения, согласно настоящему изобретению;Figure 3 is a typical illustration of a mirror collision according to the present invention;

Фиг.4 - типичный вид микроканалов в замедляющем элементе системы по фиг.1;Figure 4 is a typical view of the microchannels in the retarding element of the system of figure 1;

На фиг.5 изображен типичный вид границы раздела и канал связи, соединяющий ускоряющий элемент и замедляющий элемент системы по фиг.1; иFigure 5 shows a typical view of the interface and the communication channel connecting the accelerating element and the decelerating element of the system of figure 1; and

На фиг.6 изображены типичные нормальные векторы к стенкам микроканалов и угловые смещения в ускоряющем элементе системы по фиг.1.Figure 6 shows typical normal vectors to the walls of microchannels and angular displacements in the accelerating element of the system of figure 1.

Осуществление изобретенияThe implementation of the invention

Ссылки будут делаться подробно на настоящий вариант (иллюстративный вариант) воплощения изобретения, характеристики которого проиллюстрированы в прилагаемых чертежах. Там, где возможно, на всех чертежах будут использоваться одинаковые ссылочные номера для одинаковых или подобных деталей.References will be made in detail to the present embodiment (illustrative embodiment) of an embodiment of the invention, the characteristics of which are illustrated in the accompanying drawings. Wherever possible, the same reference numbers will be used throughout the drawings for the same or similar parts.

На фиг.1 изображен вид иллюстративной теплообменной системы 100 согласно настоящему изобретению. Насос 150 выполнен для создания и/или поддержания потока текучей среды (такой как, например, воздух) из канала 152 в канал 151. Стрелкой 118 указан типичный поток текучей среды в канал 151, а стрелкой 128 указан типичный поток текучей среды из канала 152.1 is a view of an illustrative heat transfer system 100 according to the present invention. Pump 150 is configured to create and / or maintain a fluid stream (such as, for example, air) from channel 152 to channel 151. Arrow 118 indicates a typical fluid flow to channel 151, and arrow 128 indicates a typical fluid flow from channel 152.

Вообще, согласно настоящему изобретению, вспомогательная система 110 может включать в себя ряд ускоряющих элементов 115, причем каждый ускоряющий элемент 115 включает в себя микроканалы (описываемые ниже), сообщающиеся по текучей среде с каналом 151. Кроме того, вспомогательная система 120 может включать в себя ряд замедляющих элементов 125, причем каждый замедляющий элемент 125 также включает в себя микроканалы (описываемые ниже), сообщающиеся по текучей среде с каналом 152. Кроме того, в соответствии с иллюстративным вариантом воплощения настоящего изобретения, может существовать взаимно однозначное соответствие между каждым из микроканалов каждого ускоряющего элемента 115 и каждым из микроканалов каждого замедляющего элемента 125, причем взаимно однозначное соответствие может быть осуществлено посредством гарантии того, что микроканал каждого ускоряющего элемента 115 сообщается по текучей среде с микроканалом замедляющего элемента 125 через границу 130 раздела.In general, according to the present invention, the auxiliary system 110 may include a number of accelerating elements 115, wherein each accelerating element 115 includes microchannels (described below) in fluid communication with the channel 151. In addition, the auxiliary system 120 may include a series of retarding elements 125, each retarding element 125 also including microchannels (described below) in fluid communication with a channel 152. In addition, in accordance with an illustrative embodiment of the present of the invention, there can be a one-to-one correspondence between each of the microchannels of each accelerating element 115 and each of the microchannels of each decelerating element 125, and one-to-one correspondence can be realized by ensuring that the microchannel of each accelerating element 115 is in fluid communication with the microchannel of the decelerating element 125 across the border 130 of the section.

В предпочтительном варианте воплощения изобретения каждая пара из ускоряющего элемента 115 и замедляющего элемента 125 может передавать 100 ватт от холодной стороны (ускоряющий элемент 115) к горячей стороне (замедляющий элемент 125). Размеры такого ускоряющего элемента 115 в рамках 100 ваттной пары из ускоряющего и замедляющего элемента могут составлять 100 на 100 миллиметров. В следующем варианте воплощения изобретения к каждому ускоряющему элементу 115 и замедляющему элементу 125 может быть присоединен дополнительный теплообменный элемент (не показан). В варианте воплощения изобретения согласно настоящему описанию, дополнительный теплообменный элемент может быть, главным образом, плоским (так, ускоряющий элемент 115 и замедляющий элемент 125 - плоские), и служить для отвода тепла от замедляющего элемента 125 в окружающее воздушное пространство (посредством обеспечения дополнительной площади поверхности для рассеяния такой энергии), или служить для подвода тепла к ускоряющему элементу 115 из окружающего воздушного пространства (также посредством обеспечения дополнительной площади поверхности для охлаждения). В одном варианте воплощения изобретения дополнительный теплообменный элемент может быть размером 100 миллиметров на 100 миллиметров, таким образом, приводя к размерам комбинированного ускоряющего элемента 115 и дополнительного теплообменного элемента 100 миллиметров на 200 миллиметров, и приводя к размерам комбинированного замедляющего элемента 125 и дополнительного теплообменного элемента 100 миллиметров на 200 миллиметров. В варианте воплощения изобретения, изображенном на фиг.1, с показанными двадцатью (20) такими парами ускоряющих элементов 115 и замедляющих элементов 125, система 100 может быть способна передавать 2 киловатта от вспомогательной системы 110 к вспомогательной системе 120. В следующем предпочтительном варианте воплощения изобретения с 35 такими парами, способными передавать 3,5 киловатта от холодной стороны к горячей стороне, высота Н системы на 3,5 киловатта может быть около 300 миллиметров. Поскольку граница 130 раздела имеет ширину 10 миллиметров (и учитывая дополнительные теплообменные элементы, описанные выше), габаритные размеры подобной системы на 3,5 киловатта могут быть 300 миллиметров на 210 миллиметров на 200 миллиметров. Кроме того, типичный диаметр канала 151 и канала 152 может быть 25 миллиметров или больше. Кроме того, в такой иллюстративной системе на 3,5 киловатта, где текучей средой является воздух, насос 150 может быть воздушным насосом на 300-500 ватт. Кроме того, в таком иллюстративном варианте воплощения изобретения воздух, циркулирующий в системе 100, может втягиваться из промежуточной окружающей среды системы 100.In a preferred embodiment, each pair of the accelerating element 115 and the slowing element 125 can transmit 100 watts from the cold side (accelerating element 115) to the hot side (slowing element 125). The dimensions of such an accelerating element 115 within a 100-watt pair of an accelerating and decelerating element can be 100 per 100 millimeters. In a further embodiment, an additional heat exchange element (not shown) may be attached to each accelerating element 115 and the slowing element 125. In an embodiment of the invention according to the present description, the additional heat exchange element can be mainly flat (thus, the accelerating element 115 and the slowing element 125 are flat), and serve to remove heat from the slowing element 125 into the surrounding air space (by providing additional area surface to dissipate such energy), or serve to supply heat to the accelerating element 115 from the surrounding air space (also by providing additional surface area STI for cooling). In one embodiment of the invention, the additional heat exchange element may be 100 millimeters per 100 millimeters in size, thus leading to the dimensions of the combined accelerating element 115 and the additional heat exchanging element 100 millimeters to 200 millimeters, and leading to the sizes of the combined retarding element 125 and additional heat exchanging element 100 millimeters to 200 millimeters. In the embodiment of FIG. 1, with twenty (20) such pairs of accelerating elements 115 and slowing elements 125 shown, system 100 may be able to transfer 2 kilowatts from auxiliary system 110 to auxiliary system 120. In a further preferred embodiment of the invention with 35 such pairs capable of transmitting 3.5 kilowatts from the cold side to the hot side, the system’s height of 3.5 kilowatts can be about 300 millimeters. Since the interface 130 has a width of 10 millimeters (and taking into account the additional heat transfer elements described above), the overall dimensions of such a 3.5 kilowatt system can be 300 millimeters by 210 millimeters by 200 millimeters. In addition, the typical diameter of the channel 151 and channel 152 may be 25 millimeters or more. In addition, in such an illustrative 3.5 kilowatt system, where the fluid is air, the pump 150 may be a 300-500 watts air pump. In addition, in such an illustrative embodiment, air circulating in the system 100 can be drawn in from the intermediate environment of the system 100.

Канал 151 сообщается по текучей среде с каналом 152 посредством ряда микроканалов в ряде ускоряющих элементов 115, границе 130 раздела, и замедляющих элементов 125. Стрелкой 138 указан поток текучей среды от ускоряющего элемента 115 к замедляющему элементу 125 через границу 130 раздела.Channel 151 is in fluid communication with channel 152 through a series of microchannels in a series of accelerating elements 115, interface 130, and slowing elements 125. Arrow 138 indicates fluid flow from accelerating element 115 to slowing element 125 through interface 130.

Фиг.2 - схематический вид микроканала 210 в типичном ускоряющем элементе 115 по фиг.1. Канал 151 изображен как отверстие в ускоряющем элементе 115 и сообщается по текучей среде с микроканалом 210. Масштаб микроканала 210 изображен на фиг.2 с иллюстративной целью. Микроканал 210 может быть выполнен малым (т.е., с площадью внутренней поверхности, которая может быть примерно от 3е-11 м^2 на линейный микрон до 6е-10 м^2 на линейный микрон в предпочтительном варианте воплощения изобретения, что может соответствовать каналу с примерным диаметром от 9 до 180 микронов, соответственно). Как изображено на фиг.2 в иллюстративном варианте воплощения изобретения, микроканал 210 примерно привязан к планарной области (т.е. ускоряющему элементу 115), и представляется спиральным, так что текучая среда, поступающая из канала 151, входит в микроканал 210, описывая дуги увеличивающегося радиуса, пока текучая среда не поступит в линейный канал 220. В предпочтительном варианте воплощения изобретения общая длина микроканала 210 от канала 151 до достижения линейного канала 220 может составлять примерно от 10 мм до 1 ми более. Кроме того, как описано ранее, в предпочтительном варианте воплощения изобретения, где ускоряющий элемент 115 является одним из пары на 100 ватт ускоряющих и замедляющих элементов, ширина W может составлять 100 миллиметров.FIG. 2 is a schematic view of a microchannel 210 in a typical accelerating element 115 of FIG. 1. Channel 151 is shown as an opening in the accelerating element 115 and is in fluid communication with microchannel 210. The scale of microchannel 210 is shown in FIG. 2 for illustrative purpose. Microchannel 210 can be made small (i.e., with an internal surface area that can be from about 3e-11 m ^ 2 per linear micron to 6e-10 m ^ 2 per linear micron in a preferred embodiment of the invention, which may correspond to a channel with an approximate diameter of 9 to 180 microns, respectively). As shown in FIG. 2 in an illustrative embodiment of the invention, the microchannel 210 is approximately attached to the planar region (i.e., the accelerating element 115) and appears to be helical so that the fluid coming from the channel 151 enters the microchannel 210, describing the arcs of increasing radius until the fluid enters the linear channel 220. In a preferred embodiment, the total length of the microchannel 210 from the channel 151 to reach the linear channel 220 may be from about 10 mm to 1 or more. In addition, as described previously, in a preferred embodiment of the invention, where the accelerating element 115 is one of a pair of 100 watts of accelerating and decelerating elements, the width W may be 100 millimeters.

Кроме того, в предпочтительном варианте воплощения изобретения стенки микроканала 210 могут быть, по существу, зеркальными, на фиг.3 изображена часть фиг.2 в увеличенном виде. В частности, стрелкой 325 представлена компонента скорости составляющей частицы 310 перед тем, как составляющая частица 310 сталкивается со стенкой 305. (Стенка 305 - это увеличенный вид типичной стенки микроканала 210, и составляющая частица 310 соответствует составляющей частице в типичной текучей среде, протекающей через микроканал 210 в соответствии с предпочтительным вариантом воплощения изобретения). Перпендикуляр 306 представляет ось, которая перпендикулярна плоскости, ограниченной стенкой 305. Стрелкой 335 представлена компонента скорости составляющей частицы 310 после того, как составляющая частица 310 сталкивается со стенкой 305. Использованное здесь зеркальное столкновение между составляющей частицей 310 и стенкой 305 является столкновением, при котором компонента скорости составляющей частицы 310 параллельна плоскости 302, ограниченной локальной частью 301 стенки 305, ближайшей к столкновению между составляющей частицей 310 и стенкой 305, и, по существу, одинакова до столкновения и после него. Кроме того, при зеркальном столкновении скорость составляющей частицы 310, связанная с компонентой скорости, перпендикулярной плоскости стенки 305, может быть, по существу, одинаковой до столкновения и после него. Специалисту понятно, что термин «зеркальное столкновение», используемый здесь, не должен толковаться применительно только к упругому столкновению. Скорее, поскольку может происходить передача энергии (в среднем) между стенкой 305 микроканала и множеством составляющих частиц 310, понятно, что любое отдельное зеркальное столкновение между составляющей частицей 310 и стенкой 305 может увеличивать или уменьшать кинетическую энергию составляющей частицы 310 в сравнении с кинетической энергией, присущей ей до столкновения. Например, если существует передача энергии от стенки 305 к составляющей частице 310, можно ожидать, что острый угол между составляющей частицей 310 и плоскостью, параллельной стенке 305, будет больше после столкновения, чем до него. Аналогично, если существует передача энергии от составляющей частицы 310 к стенке 305, можно ожидать, что острый угол между составляющей частицей 310 и плоскостью, параллельной стенке 305, будет меньше после столкновения, чем до него. Кроме того, поскольку температура текучей среды, содержащей множество составляющих частиц, отличается от температуры стенки, может существовать передача внутренней энергии от текучей среды к стенке, или от стенки к текучей среде (в зависимости от того, температура которой из них выше). Поскольку столкновения между множеством составляющих частиц 310 и стенкой 305 являются, по сути, зеркальными, как используется здесь, передача энергии от текучей среды, протекающей через микроканал 210 к стенке 305, или от стенки 305 к текучей среде, протекающей через микроканал 210, может происходить, преимущественно, посредством среднего изменения в скорости составляющей частицы 310, связанного с изменением в ее компоненте скорости, перпендикулярной плоскости стенки 305, во время столкновения. Кроме того, понятно, что такое изменение в компоненте скорости составляющей частицы 310 во время столкновения может изменить общую скорость составляющей частицы 310, как результат процесса столкновения.In addition, in a preferred embodiment, the walls of microchannel 210 may be substantially mirrored; FIG. 3 shows an enlarged portion of FIG. 2. In particular, arrow 325 represents the velocity component of the constituent particle 310 before the constituent particle 310 collides with the wall 305. (Wall 305 is an enlarged view of a typical wall of microchannel 210, and constituent particle 310 corresponds to a constituent particle in a typical fluid flowing through a microchannel 210 in accordance with a preferred embodiment of the invention). The perpendicular 306 represents an axis that is perpendicular to the plane bounded by the wall 305. The arrow 335 represents the velocity component of the component particle 310 after the component particle 310 collides with the wall 305. The mirror collision used here between the component particle 310 and the wall 305 is a collision in which the component the velocity of the component particle 310 is parallel to the plane 302 bounded by the local part 301 of the wall 305 closest to the collision between the component particle 310 and the wall 305, and, along essentially the same before and after the collision. In addition, in a mirror collision, the velocity of the component particle 310 associated with the velocity component perpendicular to the plane of the wall 305 can be substantially the same before and after the collision. One skilled in the art will understand that the term “mirror collision”, as used herein, should not be construed as applied only to an elastic collision. Rather, since energy transfer can occur (on average) between the microchannel wall 305 and the plurality of constituent particles 310, it is understood that any single mirror collision between the constituent particle 310 and the wall 305 can increase or decrease the kinetic energy of the constituent particle 310 in comparison with the kinetic energy, inherent to her before the collision. For example, if there is energy transfer from the wall 305 to the constituent particle 310, it can be expected that the sharp angle between the constituent particle 310 and a plane parallel to the wall 305 will be greater after the collision than before it. Similarly, if there is energy transfer from component particle 310 to wall 305, it can be expected that the sharp angle between component particle 310 and a plane parallel to wall 305 will be smaller after the collision than before it. In addition, since the temperature of a fluid containing many constituent particles differs from the temperature of the wall, there may be a transfer of internal energy from the fluid to the wall, or from the wall to the fluid (depending on which temperature is higher). Since collisions between the plurality of constituent particles 310 and wall 305 are essentially mirror-like, as used herein, energy transfer from a fluid flowing through microchannel 210 to wall 305, or from wall 305 to a fluid flowing through microchannel 210, can occur mainly by means of an average change in the velocity of the constituent particle 310 associated with a change in its velocity component perpendicular to the plane of the wall 305 during a collision. In addition, it is understood that such a change in the velocity component of the component particle 310 during a collision can change the overall speed of the component particle 310 as a result of the collision process.

В варианте воплощения изобретения согласно настоящему описанию, поверхность стенок микроканала 210 может включать любой подходящий материал, подобранный для зеркальных столкновений, такой как кремний, вольфрам, золото, платина и алмаз. Такая поверхность может быть осаждена на микроканал 210 с использованием любого из видов технологии изготовления MEMs (микроэлектромеханических систем), включая, помимо прочего, осаждение с помощью напыления и парообразования. Кроме того, согласно настоящему изобретению, на стенках канала могут выращиваться алмазные гладкие пленки с зернами в пределах 100 нм и шероховатостью поверхности Ra 20 нм. В одном варианте воплощения изобретения алмаз может быть предпочтительным, вследствие его точки плавления (т.е. около 4000 К при давлении одна атмосфера) и вследствие его твердости (т. е. а10 по шкале твердости Мооса). Согласно другим вариантам воплощения настоящего изобретения, поверхность стенок микроканала 210 может также включать карбид вольфрама, стекло и пиролитический графит - частично, по меньшей мере, вследствие своей высокой теплопроводности на уровне 1700 Вт/мК. Микроканал 210 может также включать пленки из наночастиц алмаза на подложке из пиролитического графита.In an embodiment of the invention as described herein, the wall surface of microchannel 210 may include any suitable material selected for specular collisions, such as silicon, tungsten, gold, platinum and diamond. Such a surface can be deposited onto the microchannel 210 using any of the manufacturing techniques of MEMs (microelectromechanical systems), including but not limited to deposition by sputtering and vaporization. In addition, according to the present invention, diamond smooth films with grains within 100 nm and a surface roughness of Ra 20 nm can be grown on the channel walls. In one embodiment, diamond may be preferred because of its melting point (i.e., about 4000 K at a pressure of one atmosphere) and because of its hardness (i.e., a10 on the Mohs hardness scale). According to other embodiments of the present invention, the wall surface of the microchannel 210 may also include tungsten carbide, glass, and pyrolytic graphite, in part, at least because of its high thermal conductivity of 1700 W / mK. Microchannel 210 may also include films of diamond nanoparticles on a substrate of pyrolytic graphite.

Фиг.4 - схематический вид микроканала 410 в типичном замедляющем элементе 125 по фиг.1. Канал 152 изображен как отверстие в замедляющем элементе 125 и сообщается по текучей среде с микроканалом 410. Кроме того, на фиг.4 с иллюстративной целью изображен масштаб микроканала 410. Микроканал 410 может быть выполнен малым (т.е. с площадью внутренней поверхности, которая может быть примерно от 3е-11 м^2 на линейный микрон до 6е-10 м^2 на линейный микрон в предпочтительном варианте воплощения изобретения, что может соответствовать каналу с примерным диаметром от 9 до 180 микронов, соответственно). Как изображено на фиг.4 в типичном варианте воплощения изобретения, микроканал 410 примерно привязан к планарной области (т.е., замедляющему элементу 125) и представляется спиральным, так что текучая среда, поступающая из линейного канала 420, входит в микроканал 410, описывая дуги уменьшающегося радиуса, пока текучая среда не поступит в канал 152. В предпочтительном варианте воплощения изобретения общая длина микроканала 410 от линейного канала 420 до достижения канала 152 может составлять примерно от 10 мм до 1 ми более. Кроме того, как описано ранее, в предпочтительном варианте воплощения изобретения, где замедляющий элемент 125 является одним из пары на 100 ватт ускоряющих и замедляющих элементов, ширина W может составлять 100 миллиметров. Кроме того, в предпочтительном варианте воплощения изобретения стенки микроканала 410 могут быть, главным образом, зеркальными.FIG. 4 is a schematic view of a microchannel 410 in a typical retarding element 125 of FIG. 1. Channel 152 is shown as an opening in the retardation element 125 and is in fluid communication with microchannel 410. In addition, FIG. 4 illustrates the scale of microchannel 410 for illustrative purposes. Microchannel 410 may be small (that is, with an internal surface area that may be from about 3e-11 m ^ 2 per linear micron to 6e-10 m ^ 2 per linear micron in a preferred embodiment of the invention, which may correspond to a channel with an approximate diameter of 9 to 180 microns, respectively). As shown in FIG. 4 in a typical embodiment of the invention, the microchannel 410 is approximately attached to the planar region (i.e., the retarding element 125) and appears to be helical so that the fluid coming from the linear channel 420 enters the microchannel 410, describing arc of decreasing radius, until the fluid enters the channel 152. In a preferred embodiment, the total length of the microchannel 410 from the linear channel 420 to reach the channel 152 may be from about 10 mm to 1 or more. In addition, as previously described, in a preferred embodiment of the invention, where the retarding element 125 is one of a pair of 100 watts of accelerating and retarding elements, the width W can be 100 millimeters. In addition, in a preferred embodiment, the walls of microchannel 410 may be substantially mirrored.

В варианте воплощения изобретения, согласно настоящему описанию, поверхность стенок микроканала 410 может включать любой подходящий материал, подобранный для зеркальных столкновений, такой как кремний, вольфрам, золото, платина и алмаз. Такая поверхность может быть осаждена на микроканал 410 с использованием любого из видов технологии изготовления MEMs (микроэлектромеханических систем), включая, помимо прочего, осаждение с помощью напыления и парообразования. Кроме того, согласно настоящему изобретению, на стенках канала могут выращиваться алмазные гладкие пленки с зернами в пределах 100 нм и шероховатостью поверхности Ra 20 нм. В одном варианте воплощения изобретения алмаз может быть предпочтительным, вследствие его точки плавления (т.е. около 4000 К при давлении одна атмосфера) и вследствие его твердости (т. е. а10 по шкале твердости Мооса). Согласно другим вариантам воплощения настоящего изобретения, поверхность стенок микроканала 410 может также включать карбид вольфрама, стекло и пиролитический графит - частично, по меньшей мере, вследствие своей высокой теплопроводности на уровне 1700 Вт/мК. Микроканал 410 может также включать пленки из наночастиц алмаза на подложке из пиролитического графита.In an embodiment of the invention, as described herein, the wall surface of the microchannel 410 may include any suitable material selected for specular collisions, such as silicon, tungsten, gold, platinum and diamond. Such a surface can be deposited onto microchannel 410 using any of the manufacturing techniques of MEMs (microelectromechanical systems), including but not limited to deposition by sputtering and vaporization. In addition, according to the present invention, diamond smooth films with grains within 100 nm and a surface roughness of Ra 20 nm can be grown on the channel walls. In one embodiment, diamond may be preferred because of its melting point (i.e., about 4000 K at a pressure of one atmosphere) and because of its hardness (i.e., a10 on the Mohs hardness scale). According to other embodiments of the present invention, the surface of the walls of the microchannel 410 may also include tungsten carbide, glass, and pyrolytic graphite, in part, at least because of its high thermal conductivity of 1700 W / mK. Microchannel 410 may also include films of diamond nanoparticles on a substrate of pyrolytic graphite.

На фиг.5 изображено соединение 510 между линейным каналом 220 и линейным каналом 420 через границу 130 раздела.Figure 5 shows the connection 510 between the linear channel 220 and the linear channel 420 through the boundary 130 of the section.

В предпочтительном варианте воплощения изобретения, где текучей средой является воздух, канал 151 может поддерживаться при относительно высоком давлении, а канал 152 может поддерживаться при относительно низком давлении, что обеспечивает поток текучей среды через ряд ускоряющих элементов 115 и замедляющих элементов 125. В предпочтительном варианте воплощения изобретения канал 151 может иметь давление около 1 атм и более, а канал 152 может иметь давление, составляющее около 0,528 от давления канала 151.In a preferred embodiment of the invention, where the fluid is air, channel 151 can be maintained at relatively high pressure and channel 152 can be maintained at relatively low pressure to allow fluid to flow through a series of accelerating elements 115 and slowing elements 125. In a preferred embodiment of the invention, channel 151 may have a pressure of about 1 atm or more, and channel 152 may have a pressure of about 0.528 of the pressure of channel 151.

Возвращаясь к фиг.6, на которой изображен увеличенный вид микроканала 210, текучая среда, находящаяся во внутренней части микроканала 210 (т.е. ближайшая к приточному отверстию 601), может вводиться в поток по спиралям с увеличивающимися радиусами с использованием разности давлений, описанной ранее. Поскольку температура текучей среды в приточном отверстии 601 - T1, то составляющие частицы (такие как составляющая частица 310 на фиг.3) могут быть представлены распределением скоростей, средняя скорость которого пропорциональна температуре.Returning to FIG. 6, which shows an enlarged view of the microchannel 210, a fluid located in the interior of the microchannel 210 (i.e., closest to the inlet 601) can be introduced into the flow in spirals with increasing radii using the pressure difference described earlier. Since the temperature of the fluid in the inlet port 601 is T 1 , constituent particles (such as constituent particle 310 in FIG. 3) can be represented by a velocity distribution whose average speed is proportional to temperature.

Поскольку проходное сечение приточного отверстия 601 маленькое (например, примерно от 0.01 мкм^2 до 500 мкм^2, причем текучей средой является воздух), составляющие частицы текучей среды, движущиеся через приточное отверстие 601 в микроканал 210, могут проявлять скорость, которая имеет компоненту, параллельную направлению 650, большую, чем ее компонента, перпендикулярная направлению 650. Следовательно, текучая среда, проходящая по микроканалу 210, приобретает скорость потока, которая преимущественно параллельна направлению 650. Кинетическая энергия, которая связана с потоком текучей среды в направлении 650, извлекается из внутренней тепловой энергии текучей среды, которая находилась при температуре Т1, перед вхождением в приточное отверстие 601. Закон сохранения энергии предписывает, что, поскольку часть исходной тепловой энергии текучей среды при T1 преобразована в кинетическую энергию потока для текучей среды, проходящей по микроканалу 210, температура текучей среды (в рамках, которые стационарны при скорости потока) в микроканале 210 может быть ниже, чем T1, ее мы будем обозначать Т2. Поскольку температура Т2 также меньше, чем температура стенки 610 (которую мы будем обозначать Tw) микроканала 210, текучая среда в микроканале 210 может охлаждать материал, содержащий ускоряющий элемент 115.Since the inlet cross section of the inlet 601 is small (for example, from about 0.01 μm ^ 2 to 500 μm ^ 2, with the fluid being air), the constituent particles of the fluid moving through the inlet 601 into the microchannel 210 may exhibit a velocity that has a component parallel to the direction 650, larger than its component, perpendicular to the direction 650. Consequently, the fluid passing through the microchannel 210 acquires a flow velocity that is predominantly parallel to the direction 650. Kinetic energy, cat It is connected with the fluid flow in the direction 650 and is extracted from the internal thermal energy of the fluid, which was at temperature T 1 , before entering the inlet port 601. The energy conservation law prescribes that, since part of the initial thermal energy of the fluid at T 1 is converted into the kinetic energy of the flow for the fluid passing through the microchannel 210, the temperature of the fluid (within the limits that are stationary at the flow rate) in the microchannel 210 may be lower than T 1 , we will denote it by T 2 . Since the temperature T 2 is also lower than the temperature of the wall 610 (which we will denote T w ) of the microchannel 210, the fluid in the microchannel 210 can cool the material containing the accelerating element 115.

Микроканал 210, согласно варианту воплощения настоящего изобретения, выполнен так, чтобы усиливать влияние этого изменения температуры на текучую среду, проходящую по микроканалу 210, по меньшей мере трояко. В частности, поскольку стенка 610 и составляющие частицы в текучей среде подобраны так, что столкновения между стенкой 610 и составляющими частицами, главным образом, зеркальные, то такие столкновения - которые означают передачу энергии между стенкой 610 и текучей средой - будут оказывать минимальное влияние на общий поток текучей среды через микроканал 210. Иначе говоря, поскольку столкновения между составляющими частицами и стенкой 610 таковы, что скорость составляющей частицы равновероятна в любом направлении от стенки 610 (т.e. незеркальное столкновение), то множество таких столкновений будет иметь эффект замедления потока текучей среды, что также, вероятно, имеет эффект повышения внутренней температуры текучей среды в микроканале 210. Микроканал 210, согласно варианту воплощения настоящего изобретения, выполнен для усиления эффекта охлаждения посредством избирательного уклонения от не зеркальных столкновений.Microchannel 210, according to an embodiment of the present invention, is configured to enhance at least three times the effect of this temperature change on the fluid passing through microchannel 210. In particular, since the wall 610 and the constituent particles in the fluid are selected so that the collisions between the wall 610 and the constituent particles are mainly mirror-like, such collisions - which mean the transfer of energy between the wall 610 and the fluid - will have minimal impact on the overall fluid flow through microchannel 210. In other words, since collisions between constituent particles and wall 610 are such that the velocity of the constituent particle is equally probable in any direction from wall 610 (i.e., non-mirror collision), many such collisions will have the effect of slowing the fluid flow, which also probably has the effect of increasing the internal temperature of the fluid in microchannel 210. Microchannel 210, according to an embodiment of the present invention, is designed to enhance the cooling effect by selectively avoiding non- mirror collisions.

Кроме того, поскольку наружная стенка микроканала 210 выполнена как, главным образом, увеличивающаяся спираль, зеркальное рассеяние составляющей частицы от последующих частей микроканала 210 (таких как части 610, 615 и 620), может преобразовывать часть компоненты скорости, которая перпендикулярна направлению потока через микроканал 210 (т.е. радиальной компоненты скорости), в компоненту, параллельную направлению потока через микроканал 210. Поскольку спираль становится все больше вдоль траектории микроканала 210, составляющие частицы могут испытывать все меньше и меньше столкновений со стенкой (вдоль траектории микроканала 210) по мере перемещения текучей среды в направлении линейного канала 220.In addition, since the outer wall of microchannel 210 is configured as a substantially increasing spiral, mirror scattering of a component particle from subsequent parts of microchannel 210 (such as parts 610, 615 and 620) can convert a part of the velocity component that is perpendicular to the direction of flow through microchannel 210 (i.e., the radial velocity component), into a component parallel to the direction of flow through microchannel 210. As the spiral becomes larger along the path of microchannel 210, component particles can experience there are fewer and fewer collisions with the wall (along the path of microchannel 210) as the fluid moves in the direction of linear channel 220.

Кроме того, поскольку микроканал 210 создается маленьким (т.е. с площадью внутренней поверхности, которая может быть величиной примерно от 3е-11 м^2 на линейный микрон до 6е-10 м^2 на линейный микрон в предпочтительном варианте воплощения изобретения), отношение площади поверхности, представленной стенкой микроканала 210 к данному объему текучей среды в любой области в пределах микроканала 210, относительно большое (т.е. там, где объем текучей среды, ограниченный указанной поверхностью, составляет примерно от 8е-17 м^3 на линейный микрон до 3е-15 м^3 на линейный микрон). Поскольку площадь поверхности, представленная стенкой микроканала 210 к объему текучей среды, является основным средством обмена энергией между стенками и текучей средой 115, это может вести к увеличению до максимума общего обменного взаимодействия энергий между текучей средой и микроканалом 210.In addition, since microchannel 210 is created small (i.e., with an internal surface area that can be from about 3e-11 m ^ 2 per linear micron to 6e-10 m ^ 2 per linear micron in a preferred embodiment of the invention), the ratio of the surface area represented by the wall of the microchannel 210 to a given volume of fluid in any region within the microchannel 210 is relatively large (i.e., where the volume of fluid bounded by the indicated surface is from about 8e-17 m ^ 3 per linear microns up to 3e-15 m ^ 3 per li linear micron). Since the surface area represented by the wall of the microchannel 210 to the volume of the fluid is the main means of energy exchange between the walls and the fluid 115, this can lead to a maximum increase in the total energy exchange between the fluid and the microchannel 210.

Например, как показано на фиг.6, составляющая частица может входить в приточное отверстие 601 с компонентой, предпочтительно параллельной направлению 650, и испытывать зеркальное столкновение с локальной областью 610 стенки микроканала 210, и приобретать компоненту скорости в направлении 651. Теперь составляющая частица может подвергаться зеркальному столкновению с локальной областью 615 стенки микроканала 210, и приобретает компоненту скорости в направлении 652. Составляющая частица может подвергаться зеркальному столкновению с локальной областью 620 стенки микроканала 210, и приобретать дополнительную компоненту скорости вдоль главного направления микроканала 210.For example, as shown in FIG. 6, the constituent particle can enter the inlet 601 with a component preferably parallel to direction 650, and experience a mirror collision with the local wall region 610 of microchannel 210, and acquire a velocity component in direction 651. Now, the constituent particle can be exposed mirror collision with the local region 615 of the wall of the microchannel 210, and acquires a velocity component in the direction 652. The constituent particle can undergo a mirror collision with the local region Tew 620 walls of microchannel 210, and acquire an additional velocity component along the main direction of microchannel 210.

Угол β соответствует угловому смещению между перпендикуляром 625 и перпендикуляром 630. Угол α соответствует угловому смещению между перпендикуляром 630 и перпендикуляром 635. В предпочтительном варианте воплощения изобретения, там, где интервал между первой частью стенки и второй частью стенки по меньшей мере N раз кратен наибольшей ширине микроканала вблизи этого интервала (где N может быть целым числом), угловое смещение между первым перпендикуляром и вторым перпендикуляром может быть меньше чем N/10 градусов. Аналогично, там, где интервал между второй частью стенки и третьей частью стенки по меньшей мере N раз кратен наибольшей ширине микроканала вблизи этого интервала, угловое смещение между вторым перпендикуляром и третьим перпендикуляром может быть меньше чем N/10 градусов. Например, предпочтительно, там, где интервал между первой частью стенки и второй частью стенки (и интервал между второй частью стенки и третьей частью стенки) по меньшей мере двадцатипятикратен наибольшей ширине микроканала в этом интервале, угловое смещение между первым перпендикуляром и вторым перпендикуляром (и вторым перпендикуляром и третьим перпендикуляром) составляет меньше чем 2,5 градуса. Аналогично, предпочтительно, там, где интервал между локальной областью 610 и локальной областью 615 составляет по меньшей мере пятидесятикратную наибольшую ширину микроканала 210 в этом интервале, угловое смещение между перпендикуляром 625 и перпендикуляром 630 может быть меньше чем 5 градусов. Аналогично, там, где интервал между локальной областью 615 и локальной областью 620 составляет по меньшей мере пятидесятикратную наибольшую ширину микроканала 210 в этом интервале, угловое смещение между перпендикуляром 630 и перпендикуляром 635 может быть меньше чем 5 градусов.Angle β corresponds to the angular displacement between perpendicular 625 and perpendicular 630. Angle α corresponds to the angular displacement between perpendicular 630 and perpendicular 635. In a preferred embodiment, where the interval between the first wall part and the second wall part is at least N times multiple of the greatest width microchannel near this interval (where N can be an integer), the angular displacement between the first perpendicular and the second perpendicular can be less than N / 10 degrees. Similarly, where the interval between the second wall part and the third wall part is at least N times a multiple of the largest microchannel width near this interval, the angular displacement between the second perpendicular and the third perpendicular can be less than N / 10 degrees. For example, preferably, where the interval between the first part of the wall and the second part of the wall (and the interval between the second part of the wall and the third part of the wall) is at least twenty-five times the maximum width of the microchannel in this interval, the angular displacement between the first perpendicular and the second perpendicular (and the second perpendicular and third perpendicular) is less than 2.5 degrees. Similarly, preferably, where the interval between the local region 610 and the local region 615 is at least fifty times the largest width of the microchannel 210 in this interval, the angular offset between the perpendicular 625 and the perpendicular 630 can be less than 5 degrees. Similarly, where the interval between the local region 615 and the local region 620 is at least fifty times the maximum width of the microchannel 210 in this interval, the angular displacement between perpendicular 630 and perpendicular 635 may be less than 5 degrees.

Таким образом, ускоряющий элемент 115 может охлаждаться посредством прохождения текучей среды, причем текучая среда подобрана так, чтобы иметь зеркальные столкновения со стенками микроканала 210. Кроме того, текучая среда, проходящая через ускоряющий элемент 115, может быть ускорена: т.е., когда текучая среда достигает линейного канала 220, компонента скорости составляющих частиц текучей среды направлена, преимущественно, вдоль направления линейного канала 220, ведущего к соединению 510.Thus, the acceleration element 115 can be cooled by passing a fluid, the fluid being selected so as to have a mirror collision with the walls of the microchannel 210. In addition, the fluid passing through the acceleration element 115 can be accelerated: i.e., when the fluid reaches the linear channel 220, the component of the velocity of the constituent particles of the fluid is directed mainly along the direction of the linear channel 220 leading to the connection 510.

Частично обобщая, и в соответствии с настоящим изобретением, кинетическая энергия поступательного движения (ТКЕ) составляющих частиц в текучей среде (т.е. молекул в молекулярном пучке) может быть уменьшена благодаря столкновениям с поверхностью. Процентное отношение ТКЕ, переданной от текучей среды к поверхности, может зависеть от скорости текучей среды, гладкости поверхности, внутренней кинетической энергии составляющих частиц в текучей среде и плотности кинетической энергии поверхности.Partially generalizing, and in accordance with the present invention, the kinetic energy of translational motion (TKE) of constituent particles in a fluid (i.e., molecules in a molecular beam) can be reduced due to collisions with the surface. The percentage of TKE transferred from the fluid to the surface may depend on the speed of the fluid, the smoothness of the surface, the internal kinetic energy of the constituent particles in the fluid, and the density of the kinetic energy of the surface.

Текучая среда (как молекулярный пучок) с определенной среднеквадратической (RMS) скоростью и постоянным средним углом падения может передавать больше энергии к гладкой поверхности с низкой плотностью кинетической энергии, чем к такой же поверхности с более высокой плотностью энергии. Если плотность энергии поверхности достаточно высока относительно плотности энергии сталкивающегося молекулярного пучка, энергия не будет передаваться от пучка к поверхности.A fluid medium (like a molecular beam) with a certain rms speed (RMS) and constant average angle of incidence can transfer more energy to a smooth surface with a low kinetic energy density than to a similar surface with a higher energy density. If the surface energy density is high enough with respect to the energy density of the colliding molecular beam, no energy will be transferred from the beam to the surface.

Поверхностные столкновения, которые приводят к переносу чистой энергии к поверхности, могут понижать уровень внутренней кинетической энергии составляющих частиц в текучей среде. Когда уровень внутренней энергии молекулы понижен в достаточной степени (например, за счет колебательных энергетических уровней), она может испускать один или более фотонов с частотой, которая соизмерима с пониженным уровнем внутренней энергии.Surface collisions, which lead to the transfer of clean energy to the surface, can lower the level of internal kinetic energy of the constituent particles in the fluid. When the level of internal energy of a molecule is sufficiently lowered (for example, due to vibrational energy levels), it can emit one or more photons with a frequency that is comparable to a reduced level of internal energy.

Тот же принцип действия можно применить к замедляющему элементу 125, где микроканал 410 выполнен как спираль, которая имеет последовательно уменьшающиеся радиусы для текучей среды, проходящей от линейного канала 420 к каналу 152. Таким образом, текучая среда с высокой скоростью, поступающая от соединения 510 в линейный канал 420, может подвергаться все большему количеству столкновений со стенкой (вдоль траектории микроканала 210), по мере перемещения текучей среды в направлении канала 152.The same principle of operation can be applied to the retarding element 125, where the microchannel 410 is designed as a spiral, which has successively decreasing radii for the fluid flowing from the linear channel 420 to the channel 152. Thus, the fluid at high speed coming from the connection 510 to the linear channel 420 may experience an increasing number of collisions with the wall (along the path of the microchannel 210) as the fluid moves in the direction of the channel 152.

Как и в случае ускоряющего элемента 115 и микроканала 210, стенки микроканала 410 в замедляющем элементе 125 выполнены так, чтобы составляющие частицы в текучей среде, проходящей через микроканал 410, подвергались зеркальным столкновениям.As in the case of the accelerating element 115 and the microchannel 210, the walls of the microchannel 410 in the retarding element 125 are designed so that the constituent particles in the fluid passing through the microchannel 410 are subjected to mirror collisions.

Кроме того, там, где составляющими частицами текучей среды являются молекулы (и, например, там, где текучей средой является газ), определенные колебательные состояния составляющих частиц могут заполняться в результате увеличения температуры, что достигается вблизи внутреннего отверстия между микроканалом 410 и каналом 152.In addition, where the constituent particles of the fluid are molecules (and, for example, where the fluid is a gas), certain vibrational states of the constituent particles can be filled as a result of an increase in temperature, which is achieved near the internal opening between microchannel 410 and channel 152.

Согласно настоящему изобретению, молекулярный пучок в устройствах микроэлектромеханических систем (таких как ускоряющий элемент 115 и замедляющий элемент 125), которые могут использоваться для охлаждения электронных устройств, холодильной техники, кондиционирования воздуха и других видов применения, может иметь высокие среднеквадратические скорости. Молекулярный пучок, состоящий из комнатного воздуха со среднеквадратичной скоростью 2000 м/с, имеет кинетическую энергию поступательного движения спокойного воздуха более 4000 К, температура, которая находится достаточно далеко от точки плавления большинства материалов. Теплообменник горячей стороны системы охлаждения предпочтительно должен иметь возможность отбора точных количеств как кинетической энергии поступательного движения, так и внутренней кинетической энергии, из ускоренного молекулярного пучка, без повреждения теплообменника, состоящего из традиционных материалов, таких как алюминий и теплопроводные пластмассы с точкой плавления всего 933 К или меньше.According to the present invention, the molecular beam in devices of microelectromechanical systems (such as an accelerating element 115 and a slowing element 125), which can be used for cooling electronic devices, refrigeration equipment, air conditioning and other applications, can have high rms speeds. A molecular beam consisting of room air with an rms speed of 2000 m / s has a kinetic energy of translational motion of calm air of more than 4000 K, a temperature that is quite far from the melting point of most materials. The hot side heat exchanger of the cooling system should preferably be able to select exact quantities of both kinetic energy of translational motion and internal kinetic energy from the accelerated molecular beam without damaging the heat exchanger consisting of traditional materials such as aluminum and heat-conducting plastics with a melting point of only 933 K or less.

Постепенное уменьшение уровня кинетической энергии поступательного движения быстрого молекулярного пучка с высокой плотностью энергии относительно плотности энергии поверхности позволяет происходить передаче энергии к поверхности на увеличенной длине поверхности. Это - желательный способ отбора энергии из молекулярного пучка, когда более концентрированное выделение могло бы повредить канал или увеличить температуру устройства сверх целесообразных пределов. При таком подходе к постепенному отбору энергии теплообменник горячей стороны в системе охлаждения, который выполнен из алюминия с точкой плавления 933 К, может использоваться для передачи отобранной энергии от молекулярного пучка с высокой энергией со среднеквадратичной скоростью 2000 м/с или больше, в наружную окружающую среду, без повреждения каналов теплообменного устройства и без перегрева какой-либо части наружной поверхности теплообменного устройства. С помощью постепенного отбора кинетической энергии, для применения в теплообменниках горячей стороны в качестве каналов и тепловых уплотнений может использоваться практически любой соответствующий материал канала, включая керамику и теплопроводные полимеры.A gradual decrease in the kinetic energy level of the translational motion of a fast molecular beam with a high energy density relative to the surface energy density allows the transfer of energy to the surface over an increased surface length. This is a desirable method of energy extraction from the molecular beam, when a more concentrated release could damage the channel or increase the temperature of the device beyond the reasonable limits. With this approach to the gradual selection of energy, the hot side heat exchanger in the cooling system, which is made of aluminum with a melting point of 933 K, can be used to transfer the selected energy from a high-energy molecular beam with a mean square velocity of 2000 m / s or more to the external environment without damaging the channels of the heat exchanger and without overheating any part of the outer surface of the heat exchanger. With the help of gradual selection of kinetic energy, practically any suitable channel material, including ceramics and heat-conducting polymers, can be used as channels and thermal seals for use in hot side heat exchangers.

Как описано здесь, когда молекулярный пучок испытывает ряд поверхностных столкновений с дугой постепенно уменьшающегося радиуса, энергия поступательного движения и внутренняя кинетическая энергия отбирается постепенно. Разнообразные конструкции каналов устройства микроэлектромеханических систем могут обеспечить молекулярный пучок, испытывающий ряд столкновений с дугой постепенно уменьшающегося радиуса. Например, каналы, выполненные в виде спиралей с начальными большими радиусами, которые постепенно уменьшаются по длине до меньших радиусов, и спиральный молекулярный пучок, протекающий через ослабленный канал, используя центробежную силу спирального движения, чтобы оставаться вблизи поверхности при всех диаметрах канала, являются двумя примерами таких конструкций. Любая конструкция для постепенного отбора энергии служит для облегчения преобразования кинетической энергии пучков в излучение инфракрасного и оптического диапазона света, даже когда средняя энергия, содержащаяся в пучке, при резком замедлении или остановке могла бы произвести излучение повышенной частоты. Для видов применения, требующих излучения повышенной частоты, конструкция, которая способствует способам более резкого отбора энергии, конечно, может применяться в объеме настоящего изобретения.As described here, when a molecular beam experiences a series of surface collisions with an arc of a gradually decreasing radius, the translational energy and internal kinetic energy are taken out gradually. A variety of channel designs of microelectromechanical systems can provide a molecular beam experiencing a series of collisions with an arc of gradually decreasing radius. For example, channels made in the form of spirals with large initial radii that gradually decrease in length to smaller radii and a spiral molecular beam flowing through a weakened channel using the centrifugal force of the spiral motion to stay close to the surface at all channel diameters are two examples such designs. Any design for the gradual selection of energy serves to facilitate the conversion of the kinetic energy of the beams into the radiation of the infrared and optical ranges of light, even when the average energy contained in the beam, during a sharp deceleration or stop, could produce increased frequency radiation. For applications requiring higher frequency radiation, a design that facilitates sharper energy extraction methods, of course, can be used within the scope of the present invention.

Уравнение, описывающее примерное преобразование энергии из энергии поступательного движения молекулярного пучка в температуру поверхности столкновения, может быть выведено с помощью кинетической теории. В уравнении (3kT)/2=(mv^2)/2, k - постоянная Больцмана, Т - температура в градусах Кельвина, m - масса, и v - скорость. Поскольку энергия возрастает пропорционально квадрату скорости, количество кинетической энергии, которая может быть перенесена к поверхности посредством замедления более быстрого пучка на один метр в секунду, может быть больше, чем количество, которое может быть перенесено к той же поверхности более медленным молекулярным пучком при таком же уменьшении скорости. Локальная температура поверхностей столкновения и теплового тракта, направленного к наружным поверхностям, может регулироваться при дополнительных углах столкновения с известными диапазонами скорости молекулярного пучка.An equation describing the approximate conversion of energy from the translational energy of a molecular beam to the temperature of a collision surface can be derived using kinetic theory. In the equation (3kT) / 2 = (mv ^ 2) / 2, k is the Boltzmann constant, T is the temperature in degrees Kelvin, m is the mass, and v is the velocity. Since the energy increases in proportion to the square of the speed, the amount of kinetic energy that can be transferred to the surface by slowing the faster beam by one meter per second can be greater than the amount that can be transferred to the same surface by a slower molecular beam with the same decrease in speed. The local temperature of the collision surfaces and the heat path directed to the outer surfaces can be controlled at additional collision angles with known ranges of molecular beam velocity.

Теплообменник согласно настоящему изобретению, который постепенно поглощает кинетическую энергию из молекулярного пучка с высокой энергией, может быть нагрет, поскольку кинетическая энергия из молекулярного пучка поглощается внутренними поверхностями канала теплообменника. При условии, что существует достаточно теплопроводный тракт между внутренними поверхностями канала и наружными поверхностями теплообменника, поверхности теплообменника и канала молекулярного пучка могут поддерживаться при любом необходимом дельта Т (изменении температуры) с окружающей средой, при обычных средствах теплопередачи от теплообменника в окружающую среду. Теплообменники, которые равномерно отбирают энергию из молекулярного пучка вдоль поверхности канала, могут почти приближаться к условиям, близким к изотермическим.A heat exchanger according to the present invention, which gradually absorbs kinetic energy from a high energy molecular beam, can be heated because kinetic energy from a molecular beam is absorbed by the internal surfaces of the heat exchanger channel. Provided that there is a sufficiently heat-conducting path between the inner surfaces of the channel and the outer surfaces of the heat exchanger, the surfaces of the heat exchanger and the molecular beam channel can be maintained with any necessary delta T (temperature change) with the environment, with conventional means of heat transfer from the heat exchanger to the environment. Heat exchangers that uniformly draw energy from the molecular beam along the channel surface can almost come close to isothermal conditions.

Энергия, отбираемая из уравновешенного молекулярного пучка, может использоваться для точной дискретизации режимов энергии в полости канала. Излучение света с прогнозируемой энергией обеспечивается по формуле Планка для излучения, то есть равна постоянной Планка, умноженной на частоту. Формула Планка для излучения может использоваться для расчета средней энергии любой желаемой частоты света, излучаемого из канала устройства микроэлектромеханических систем.The energy taken from the balanced molecular beam can be used to accurately discretize the energy regimes in the channel cavity. The radiation of light with predicted energy is provided by the Planck formula for radiation, that is, it is equal to the Planck constant times the frequency. The Planck formula for radiation can be used to calculate the average energy of any desired frequency of light emitted from a channel of a microelectromechanical systems device.

Когда коллимированный и уравновешенный молекулярный пучок передает высокие результирующие количества энергии к поверхности канала, может также возникать непрерывное когерентное спонтанное излучение. Прозрачность канала для излучаемой частоты света может позволить свету выходить из канала для практических целей, которые включают любые применения лазеров и преобразование световой энергии в электрический ток, как это происходит с помощью матрицы фотодиодов в траектории потока фотонной эмиссии из каналов. Напряжение тока может быть связано с энергией ионизации материала канала. Когерентное излучение может давать фотодиоды с узкой полосой пропускания для эффективного преобразования выделенной энергии из молекулярного пучка в электрический ток требуемого напряжения.When a collimated and balanced molecular beam transfers high resulting amounts of energy to the channel surface, continuous coherent spontaneous emission can also occur. The transparency of the channel for the emitted frequency of light can allow light to exit the channel for practical purposes, which include any laser application and the conversion of light energy into electric current, as is done using a photodiode array in the path of photon emission from the channels. The voltage may be related to the ionization energy of the channel material. Coherent radiation can produce photodiodes with a narrow passband to efficiently convert the released energy from the molecular beam into an electric current of the required voltage.

Когерентная и синфазная эмиссия из нескольких каналов может легко достигаться из ряда параллельных поверхностей канала на устройстве микроэлектромеханических систем, при использовании сверхплоских поверхностей подложки. Плотность энергии когерентного излучения может достигаться при субмикронных интервалах между параллельными каналами. При использовании разнообразных материалов, могут изготавливаться устройства микроэлектромеханических систем с каналами, прозрачными в области видимого и ультрафиолетового излучения, с отличной оптической однородностью. Кремний может обеспечивать оптическую однородность при приемлемой прозрачности для некоторых инфракрасных частот, как это может германий и Amtir. Сапфир, оксид иттрия и иттрий-алюминиевый гранат также обеспечивают замечательное оптическое светопропускание в инфракрасной области. Оптическое стекло может использоваться для длины волны ультрафиолетового и видимого диапазона.Coherent and in-phase emission from several channels can easily be achieved from a number of parallel channel surfaces on the device of microelectromechanical systems, using ultra-flat substrate surfaces. The energy density of coherent radiation can be achieved at submicron intervals between parallel channels. Using a variety of materials, devices of microelectromechanical systems with channels transparent in the visible and ultraviolet regions with excellent optical uniformity can be manufactured. Silicon can provide optical uniformity with acceptable transparency for some infrared frequencies, as Germanium and Amtir can. Sapphire, yttrium oxide and yttrium-aluminum garnet also provide excellent optical light transmission in the infrared region. Optical glass can be used for the wavelength of the ultraviolet and visible range.

В предпочтительном варианте воплощения изобретения структура или микроканал 210 и микроканал 410 могут уменьшать потребность в мощности накачки. Благодаря, по меньшей мере частично, такой структуре, значения, связанные с коэффициентом полезного действия («СОР»), могут быть равны 10 или выше.In a preferred embodiment, the structure or microchannel 210 and microchannel 410 can reduce the need for pump power. Due, at least in part, to such a structure, values associated with a coefficient of performance (“COP”) can be 10 or higher.

В следующем варианте воплощения, согласно настоящему изобретению, значения СОР могут быть равны 10 или выше, благодаря работе при различных давлениях. Например, в иллюстративном варианте воплощения изобретения мощность, необходимая для составляющей частицы (или молекулы), является функцией отношения давлений, а не давления. Для иллюстративных систем 100, которые работают при повышенных давлениях, но которые выполнены так, чтобы иметь одинаковое отношение давлений, стоимость накачки на составляющую частицу будет оставаться одинаковой, но поток повышенной плотности составляющих частиц (т.е. молекулярный поток повышенной плотности) может обеспечивать повышенную интенсивность теплопередачи, и может давать СОР от 10 или выше.In a further embodiment, according to the present invention, the COP values may be 10 or higher due to operation at different pressures. For example, in an illustrative embodiment of the invention, the power required for a constituent particle (or molecule) is a function of the ratio of pressures rather than pressure. For exemplary systems 100 that operate at elevated pressures, but which are designed to have the same pressure ratio, the cost of pumping the constituent particle will remain the same, but the flux of increased density of constituent particles (i.e., molecular flux of increased density) may provide increased heat transfer rate, and can give a COP of 10 or higher.

Материалы и компоненты согласно настоящему изобретению, такие как типичные устройства, описанные выше, предлагают решения всех проблем, которые были выявлены.The materials and components of the present invention, such as the typical devices described above, provide solutions to all problems that have been identified.

Другие варианты воплощения изобретения согласно данному описанию будут очевидны для специалиста из рассмотрения описания и практического применения раскрываемых здесь вариантов воплощения изобретения. Предполагается, что описание и примеры рассматриваются только как иллюстративные, а истинный объем и сущность изобретения указаны в формуле изобретения.Other embodiments of the invention as described herein will be apparent to those skilled in the art from consideration of the description and practical application of the embodiments disclosed herein. It is assumed that the description and examples are considered only as illustrative, and the true scope and essence of the invention are indicated in the claims.

Claims (25)

1. Устройство для теплообмена, содержащее:
микроканал, содержащий часть стенки; и
газ, содержащий составляющую частицу;
причем микроканал выполнен так, чтобы вмещать поток газа в первом направлении, главным образом, перпендикулярном поперечному сечению микроканала; и
часть стенки и составляющая частица подобраны так, что столкновения между составляющей частицей и частью стенки являются, главным образом, зеркальными; и
часть стенки содержит, по меньшей мере, первую и вторую часть стенки, третью часть стенки, первую промежуточную часть стенки, и вторую промежуточную часть стенки;
граница первой части стенки является смежной с первой границей первой промежуточной части стенки, первая граница второй части стенки является смежной со второй границей первой промежуточной части стенки, вторая граница второй части стенки является смежной с первой границей второй промежуточной части стенки, и граница третьей части стенки является смежной со второй границей второй промежуточной части стенки, так что первая часть стенки, первая промежуточная часть стенки, вторая часть стенки, вторая промежуточная часть стенки, и третья часть стенки образуют смежную часть стенки микроканала;
причем, первый перпендикуляр к первой части стенки не параллелен второму перпендикуляру ко второй части стенки, и также не параллелен третьему перпендикуляру к третьей части стенки, а второй перпендикуляр также не параллелен третьему перпендикуляру;
угловое смещение между первым перпендикуляром и вторым перпендикуляром составляет меньше чем 90 градусов, и примерно такое же, как угловое смещение между вторым перпендикуляром и третьим перпендикуляром;
интервал между первой частью стенки и второй частью стенки, по меньшей мере, является кратным целому числу N наибольшей ширины микроканала в этом интервале; и
угол смещения между первым перпендикуляром и вторым перпендикуляром меньше чем М градусов, где М равно N/10.1. A device for heat transfer, comprising:
a microchannel containing a portion of the wall; and
a gas containing a constituent particle;
moreover, the microchannel is designed to accommodate the gas flow in the first direction, mainly perpendicular to the cross section of the microchannel; and
the part of the wall and the component particle are selected so that the collisions between the component particle and part of the wall are mainly mirror; and
a wall part comprises at least a first and a second wall part, a third wall part, a first intermediate wall part, and a second intermediate wall part;
the boundary of the first wall portion is adjacent to the first boundary of the first intermediate wall portion, the first boundary of the second wall portion is adjacent to the second boundary of the first intermediate wall portion, the second boundary of the second wall portion is adjacent to the first boundary of the second intermediate wall portion, and the boundary of the third wall portion is adjacent to the second boundary of the second intermediate wall part, so that the first wall part, the first intermediate wall part, the second wall part, the second intermediate wall part, and the third Part wall form a contiguous portion of the microchannel wall;
moreover, the first perpendicular to the first part of the wall is not parallel to the second perpendicular to the second part of the wall, and also not parallel to the third perpendicular to the third part of the wall, and the second perpendicular is not parallel to the third perpendicular;
the angular displacement between the first perpendicular and the second perpendicular is less than 90 degrees, and approximately the same as the angular displacement between the second perpendicular and the third perpendicular;
the interval between the first part of the wall and the second part of the wall is at least a multiple of an integer N of the greatest width of the microchannel in this interval; and
the offset angle between the first perpendicular and the second perpendicular is less than M degrees, where M is N / 10. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что N выбрано, по меньшей мере, как одно из чисел: двадцать пять и пятьдесят.2. The device according to claim 1, characterized in that N is selected at least as one of the numbers: twenty-five and fifty. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что газ содержит воздух.3. The device according to claim 1, characterized in that the gas contains air. 4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что микроканал, главным образом, привязан к планарной области.4. The device according to claim 1, characterized in that the microchannel is mainly tied to a planar region. 5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что траектория микроканала является спиральной, с внутренней и наружной частями, причем радиус наружной части больше, чем радиус внутренней части.5. The device according to claim 1, characterized in that the path of the microchannel is spiral, with inner and outer parts, and the radius of the outer part is greater than the radius of the inner part. 6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что, по меньшей мере, часть микроканала выполнена с площадью внутренней поверхности примерно от 3е-11 м^2 на линейный микрон до 6е-10 м^2 на линейный микрон.6. The device according to claim 1, characterized in that at least part of the microchannel is made with an inner surface area of from about 3e-11 m ^ 2 per linear micron to 6e-10 m ^ 2 per linear micron. 7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что часть стенки дополнительно содержит материал покрытия, осажденный на подложку.7. The device according to claim 1, characterized in that the part of the wall further comprises a coating material deposited on the substrate. 8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что подложка содержит медь.8. The device according to claim 7, characterized in that the substrate contains copper. 9. Устройство по п.7, отличающееся тем, что материал покрытия содержит вольфрам.9. The device according to claim 7, characterized in that the coating material contains tungsten. 10. Устройство по п.1, отличающееся тем, что часть стенки изготовлена, как правило, гладкой.10. The device according to claim 1, characterized in that the part of the wall is made, as a rule, smooth. 11. Устройство по п.1, отличающееся тем, что поток газа в микроканале проходит от внутренней части к наружной части.11. The device according to claim 1, characterized in that the gas flow in the microchannel passes from the inside to the outside. 12. Устройство по п.1, отличающееся тем, что поток газа в микроканале проходит от наружной части к внутренней части.12. The device according to claim 1, characterized in that the gas flow in the microchannel passes from the outer part to the inner part. 13. Способ теплообмена, включающий:
создание микроканала, содержащего часть стенки;
создание газа, содержащего составляющую частицу; и
возбуждение потока газа, примыкающего к части стенки;
причем микроканал выполнен так, чтобы вмещать поток газа в первом направлении, главным образом, перпендикулярном поперечному сечению микроканала; и
часть стенки и составляющая частица подобраны так, что столкновения между составляющей частицей и частью стенки являются, главным образом зеркальными; и
часть стенки содержит, по меньшей мере, первую, вторую часть стенки и третью части стенки, первую промежуточную часть стенки, и вторую промежуточную часть стенки;
граница первой части стенки является смежной с первой границей первой промежуточной части стенки, первая граница второй части стенки является смежной со второй границей первой промежуточной части стенки, вторая граница второй части стенки является смежной с первой границей второй промежуточной части стенки, и граница третьей части стенки является смежной со второй границей второй промежуточной части стенки, так что первая часть стенки, первая промежуточная часть стенки, вторая часть стенки, вторая промежуточная часть стенки, и третья часть стенки образуют смежную часть стенки микроканала;
первый перпендикуляр к первой части стенки не параллелен второму перпендикуляру ко второй части стенки, и также не параллелен третьему перпендикуляру к третьей части стенки, а второй перпендикуляр также не параллелен третьему перпендикуляру;
угловое смещение между первым перпендикуляром и вторым перпендикуляром составляет меньше чем 90 градусов, и примерно такое же, как угловое смещение между вторым перпендикуляром и третьим перпендикуляром;
интервал между первой частью стенки и второй частью стенки, по меньшей мере, является кратным целому числу N наибольшей ширины микроканала в этом интервале; и
угол смещения между первым перпендикуляром и вторым перпендикуляром меньше чем М градусов, где М равно N/10.13. The method of heat transfer, including:
creating a microchannel containing a portion of the wall;
creating a gas containing a constituent particle; and
excitation of a gas stream adjacent to a part of the wall;
moreover, the microchannel is designed to accommodate the gas flow in the first direction, mainly perpendicular to the cross section of the microchannel; and
the part of the wall and the component particle are selected so that the collisions between the component particle and part of the wall are mainly mirror; and
a wall part comprises at least a first, a second part of a wall and a third part of a wall, a first intermediate part of the wall, and a second intermediate part of the wall;
the boundary of the first wall portion is adjacent to the first boundary of the first intermediate wall portion, the first boundary of the second wall portion is adjacent to the second boundary of the first intermediate wall portion, the second boundary of the second wall portion is adjacent to the first boundary of the second intermediate wall portion, and the boundary of the third wall portion is adjacent to the second boundary of the second intermediate wall part, so that the first wall part, the first intermediate wall part, the second wall part, the second intermediate wall part, and the third Part wall form a contiguous portion of the microchannel wall;
the first perpendicular to the first part of the wall is not parallel to the second perpendicular to the second part of the wall, and also not parallel to the third perpendicular to the third part of the wall, and the second perpendicular is not parallel to the third perpendicular;
the angular displacement between the first perpendicular and the second perpendicular is less than 90 degrees, and approximately the same as the angular displacement between the second perpendicular and the third perpendicular;
the interval between the first part of the wall and the second part of the wall is at least a multiple of an integer N of the greatest width of the microchannel in this interval; and
the offset angle between the first perpendicular and the second perpendicular is less than M degrees, where M is N / 10. 14. Способ по п.13, отличающийся тем, что N выбрано, по меньшей мере, как одно из чисел: двадцать пять и пятьдесят.14. The method according to item 13, wherein N is selected at least as one of the numbers: twenty-five and fifty. 15. Способ по п.13, отличающийся тем, что:
этап создания микроканала, содержащего часть стенки, включает:
создание части стенки при первой температуре в первый момент времени; причем
часть текучей среды проходит через микроканал за период времени между первым моментом и вторым моментом, более поздним, чем первый момент; причем
во второй момент часть стенки имеет вторую температуру, которая меньше, чем первая температура.15. The method according to item 13, wherein:
the stage of creating a microchannel containing a part of the wall includes:
creating a part of the wall at the first temperature at the first time; moreover
a portion of the fluid passes through the microchannel over a period of time between the first moment and the second moment later than the first moment; moreover
at the second moment, a part of the wall has a second temperature, which is less than the first temperature. 16. Способ по п.13, отличающийся тем, что газ содержит воздух.16. The method according to item 13, wherein the gas contains air. 17. Способ по п.13, отличающийся тем, что траектория микроканала является спиральной, с внутренней наружной частями, причем радиус наружной части больше, чем радиус внутренней части.17. The method according to item 13, wherein the path of the microchannel is spiral, with the inner outer parts, and the radius of the outer part is greater than the radius of the inner part. 18. Способ по п.13, отличающийся тем, что дополнительно обеспечивает теплообменный элемент, электрически связанный с частью стенки.18. The method according to item 13, characterized in that it further provides a heat exchange element electrically connected to a part of the wall. 19. Способ по п.13, отличающийся тем, что, по меньшей мере, часть микроканала выполнена с площадью внутренней поверхности примерно от 3е-11 м^2 на линейный микрон до 6е-10 м^2 на линейный микрон.19. The method according to p. 13, characterized in that at least a portion of the microchannel is made with an inner surface area of from about 3e-11 m ^ 2 per linear micron to 6e-10 m ^ 2 per linear micron. 20. Способ по п.13, отличающийся тем, что дополнительно обеспечивает микроканал, содержащий часть стенки, включающий: осаждение материала на поверхность микроканала, используя, по меньшей мере, один из способов: осаждение напылением и парообразованием.20. The method according to p. 13, characterized in that it further provides a microchannel containing a portion of the wall, including: deposition of material on the surface of the microchannel, using at least one of the methods: deposition by sputtering and vaporization. 21. Способ по п.20, отличающийся тем, что поверхность является медной.21. The method according to claim 20, characterized in that the surface is copper. 22. Способ по п.20, отличающийся тем, что материалом служит вольфрам.22. The method according to claim 20, characterized in that the material is tungsten. 23. Система для теплообмена, содержащая:
ускоряющий элемент, содержащий устройство по п.11;
замедляющий элемент, содержащий устройство по п.12; и
границу раздела, содержащую микроканал, сообщающийся по текучей среде с микроканалом ускоряющего элемента и микроканалом замедляющего элемента
причем газ ускоряющего элемента содержит первую часть газа, в основном, при первом давлении, и газ замедляющего элемента содержит вторую часть газа, в основном, при втором давлении, которое меньше, чем первое давление.23. A heat transfer system comprising:
an accelerating element comprising a device according to claim 11;
a delay element containing the device according to item 12; and
an interface containing a microchannel in fluid communication with a microchannel of an accelerating element and a microchannel of a slowing element
moreover, the gas of the accelerating element contains the first part of the gas, mainly at the first pressure, and the gas of the slowing element contains the second part of the gas, mainly at the second pressure, which is less than the first pressure. 24. Система по п.23, отличающаяся тем, что ускоряющий элемент и замедляющий элемент выполнен так, чтобы передавать тепловую энергию от ускоряющего элемента к замедляющему элементу, при величине, как минимум, 100 ватт.24. The system according to item 23, wherein the accelerating element and the slowing down element is configured to transmit thermal energy from the accelerating element to the slowing down element, at a value of at least 100 watts. 25. Система по п.23, отличающаяся тем, что каждый из ускоряющих элементов и замедляющих элементов имеет размер примерно 100 миллиметров на 100 миллиметров. 25. The system according to item 23, wherein each of the accelerating elements and decelerating elements has a size of about 100 millimeters per 100 millimeters.
RU2012153238/06A 2010-05-23 2011-05-20 Heat and power exchange device and method RU2566874C2 (en)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US34744610P 2010-05-23 2010-05-23
US61/347,446 2010-05-23
PCT/US2011/037369 WO2011149780A1 (en) 2010-05-23 2011-05-20 Heat and energy exchange

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2012153238A RU2012153238A (en) 2014-06-27
RU2566874C2 true RU2566874C2 (en) 2015-10-27

Family

ID=44121350

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2012153238/06A RU2566874C2 (en) 2010-05-23 2011-05-20 Heat and power exchange device and method

Country Status (11)

Country Link
US (1) US20130153182A1 (en)
EP (1) EP2577210A1 (en)
JP (1) JP2013528275A (en)
CN (1) CN102985781B (en)
AU (1) AU2011258652A1 (en)
BR (1) BR112012029534B8 (en)
CA (1) CA2800209A1 (en)
IL (1) IL223148A0 (en)
RU (1) RU2566874C2 (en)
SG (1) SG185705A1 (en)
WO (1) WO2011149780A1 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20040051643A (en) * 2002-12-11 2004-06-19 엘지전자 주식회사 Micro Channel Heat Exchanger
RU49607U1 (en) * 2005-06-30 2005-11-27 Верба Владимир Степанович CPU COOLING DEVICE
DE102004040950A1 (en) * 2004-08-24 2006-03-02 Krelle, Jürgen, Dipl.-Phys. Distillation process with improved energy recovery, especially for obtaining fresh water, using liquid channel with microporous membrane or vapor-permeable film, vapor channel and condensation wall
UA90356C2 (en) * 2008-05-16 2010-04-26 Инженерно-Технологический Институт "Биотехника" Dobrov's heat exchange pack

Family Cites Families (21)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SE418223B (en) * 1972-06-02 1981-05-11 Aga Ab VERMEVEXLARE
US3882934A (en) * 1972-06-02 1975-05-13 Aga Ab Heat exchanger
JPS5895301A (en) * 1981-12-01 1983-06-06 Matsushita Electric Ind Co Ltd Laser total reflector
JPS6367760A (en) * 1986-09-09 1988-03-26 Fujitsu Ltd Heat dissipation fin structure with built-in micro-heat-pipe
JPS63263392A (en) * 1987-04-22 1988-10-31 Akutoronikusu Kk Heat receiving of device of loop type heat pipe
US5219020A (en) * 1990-11-22 1993-06-15 Actronics Kabushiki Kaisha Structure of micro-heat pipe
JPH0697147B2 (en) * 1990-11-22 1994-11-30 アクトロニクス株式会社 Loop type thin tube heat pipe
JP4682476B2 (en) * 2001-08-01 2011-05-11 カシオ計算機株式会社 Heating device, reforming device and fuel cell system
JP3979143B2 (en) * 2002-03-27 2007-09-19 株式会社日立製作所 Cooling device for information processing equipment
US7137776B2 (en) * 2002-06-19 2006-11-21 United Technologies Corporation Film cooling for microcircuits
WO2004042305A2 (en) * 2002-11-01 2004-05-21 Cooligy, Inc. Optimal spreader system, device and method for fluid cooled micro-scaled heat exchange
US6932564B2 (en) * 2002-12-19 2005-08-23 Forced Physics Corporation Heteroscopic turbine
JP2005123338A (en) * 2003-10-15 2005-05-12 Sankyo Seiki Mfg Co Ltd Cooling jacket structure
US6994245B2 (en) * 2003-10-17 2006-02-07 James M. Pinchot Micro-reactor fabrication
JP2005298312A (en) * 2004-04-16 2005-10-27 Nippon Sheet Glass Co Ltd Microprocessing method for glass and microprocessed glass
US7000415B2 (en) * 2004-04-29 2006-02-21 Carrier Commercial Refrigeration, Inc. Foul-resistant condenser using microchannel tubing
EP2610003A1 (en) * 2004-11-03 2013-07-03 Velocys Inc. Fischer-Tropsch process with partial boiling in mini and micro-channels
JP4513626B2 (en) * 2005-03-28 2010-07-28 住友ベークライト株式会社 Method for producing a mold for producing a microchannel substrate
US20100038056A1 (en) * 2008-08-15 2010-02-18 Ellsworth Joseph R High performance compact heat exchanger
US8414847B2 (en) * 2008-09-30 2013-04-09 Forced Physics, Llc Method and apparatus for control of fluid temperature and flow
CN101667561B (en) * 2009-09-04 2012-05-23 厦门大学 Silicon-based vapor-liquid phase separating heat radiation chip and preparation method thereof

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20040051643A (en) * 2002-12-11 2004-06-19 엘지전자 주식회사 Micro Channel Heat Exchanger
DE102004040950A1 (en) * 2004-08-24 2006-03-02 Krelle, Jürgen, Dipl.-Phys. Distillation process with improved energy recovery, especially for obtaining fresh water, using liquid channel with microporous membrane or vapor-permeable film, vapor channel and condensation wall
RU49607U1 (en) * 2005-06-30 2005-11-27 Верба Владимир Степанович CPU COOLING DEVICE
UA90356C2 (en) * 2008-05-16 2010-04-26 Инженерно-Технологический Институт "Биотехника" Dobrov's heat exchange pack

Also Published As

Publication number Publication date
EP2577210A1 (en) 2013-04-10
BR112012029534B8 (en) 2022-08-30
CA2800209A1 (en) 2011-12-01
AU2011258652A1 (en) 2012-12-20
SG185705A1 (en) 2013-01-30
CN102985781A (en) 2013-03-20
WO2011149780A1 (en) 2011-12-01
CN102985781B (en) 2016-03-02
RU2012153238A (en) 2014-06-27
AU2011258652A2 (en) 2013-01-10
BR112012029534A2 (en) 2016-12-06
BR112012029534B1 (en) 2021-03-02
JP2013528275A (en) 2013-07-08
IL223148A0 (en) 2013-02-03
US20130153182A1 (en) 2013-06-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Xu et al. Spray cooling on enhanced surfaces: A review of the progress and mechanisms
AU2019204352B2 (en) Method and apparatus for control of fluid temperature and flow
Kumar et al. A review of flow and heat transfer behaviour of nanofluids in micro channel heat sinks
Devahdhanush et al. Review of critical heat flux (CHF) in jet impingement boiling
Zhang et al. Fluid flow and heat transfer characteristics of liquid cooling microchannels in LTCC multilayered packaging substrate
Amon et al. Microelectromechanical system-based evaporative thermal management of high heat flux electronics
WO2014035525A2 (en) Active cooling of high speed seeker missile domes and radomes
McCluskey et al. Thermal management challenges in turbo-electric and hybrid electric propulsion
RU2566874C2 (en) Heat and power exchange device and method
Al-Rjoub et al. Enhanced heat transfer in a micro-scale heat exchanger using nano-particle laden electro-osmotic flow
Kishore et al. Experimental Investigation on Thermohydraulic Performance of Hybrid Nanofluids in a Novel Minichannel Heat Sink
Nishio Single-phase laminar-flow heat transfer and two-phase oscillating-flow heat transport in microchannels
Lai et al. A review of convective heat transfer with nanofluids for electronics packaging
Zaidan et al. Optimization of a stacked microchannel heat sink using nanofluids (AL 2 O 3-H 2 O) with multiobjective optimization of thermal resistance and pressure drop
Kumar et al. Experimental study of convective heat transfer in miniature double tube hair-pin heat exchanger
Fan et al. On the heat transfer enhancement based on micro-scale air impinging jets with microstructure heat sink in electronics cooling
PVR Experimental Investigation on Thermohydraulic Performance of Hybrid Nanofluids in a Novel Minichannel Heat Sink
Karayiannis et al. Single phase flow pressure drop and heat transfer in rectangular metallic microchannels

Legal Events

Date Code Title Description
PD4A Correction of name of patent owner