專利名稱：熱量和能量交換的制作方法
技術領域：
符合本公開的材料、組件和方法涉及制造微型通道和結合流體使用微型通道，其中所述微型通道是根據(jù)特定的宏觀構造而配置以至少部分控制流體的溫度和流。
背景技術：
流體(諸如空氣)的體積的特征可為溫度和壓力。當被視為一批包括例如氧氣分子和氮氣分子的組成顆粒時，在給定溫度下的流體體積的特征也可為組成顆粒速度的分布。這個分布的特征一般為被理解成與流體(例如，氣體)的溫度相關的平均速度。因此，流體的內部熱能可為涉及流體流的加熱、冷卻和生成的應用提供能量源。發(fā)明概述在一個方面中，實施方案可提供利用被構造為容納流體的流的一個或多個微型通道(“微通道”)的系統(tǒng)，并且其中微型通道的壁和流體中的組成顆粒經(jīng)過構造使得組成顆粒與微型通道的壁之間的碰撞基本上是反射性的。而且，微型通道可以宏觀構造配置以至少對至少一個壁提供至少近似平坦的第一壁部分、近似平坦的第三壁部分、第一中間壁部分和第二中間壁部分，其中第一壁部分的邊界與第一中間壁部分的第一邊界相接，第二壁部分的第一邊界與第一中間壁部分的第二邊界相接，第二壁部分的第二邊界與第二中間壁部分的第一邊界相接，并且第三壁部分的邊界與第二中間壁部分的第二邊界相接，使得第一壁部分、第一中間壁部分、第二壁部分、第二中間壁部分和第三壁部分形成微通道的一部分的相接壁。更進一步地說，實施方案可提供由第一壁部分界定的近似平面的第一法線不平行于由第二壁部分界定的近似平面的第二法線，并且也不平行于由第三壁部分界定的近似平面的第三法線，并且其中第二法線也不平行于第三法線，更進一步地說，實施方案可提供第一法線與第二法線之間的角度偏移小于90度，并且與第二法線與第三法線之間的角度偏移近似相同。如果第一壁部分與第二壁部分之間的間隔是微通道跨所述間隔的最大寬度的至少N倍(其中N可以是整數(shù))，那么第一法線與第二法線之間的角度偏移可小于N/10度。同樣地，如果第二壁部分與第三壁部分之間的間隔是微通道跨所述間隔的最大寬度的至少N倍，那么第二法線與第三法線之間的角度偏移可小于N/10度。僅出于示例性目的，如果第一壁部分與第二壁部分之間的間隔(和第二壁部分和第三壁部分之間的間隔)是微通道跨所述間隔的最大寬度的至少25倍，那么第一法線與第二法線之間的角度偏移(和第二法線與第三法線之間的角度偏移)可小于2. 5度。同樣地，僅出于示例性目的，如果第一壁部分與第二壁部分之間的間隔是微通道跨所述間隔的最大寬度的至少50倍，那么第一法線與第二法線之間的角度偏移可小于5度。在另一方面中，實施方案可在流體可包括分子并且可通過增強流體體積的加熱而允許分子振動能級的布居的情況下提供對流體體積的流和溫度的操縱。如果允許這些振動激發(fā)的分子松弛，那么實施方案可允許產生因此發(fā)射的電磁輻射并對其進行操縱。在另一方面中，實施方案可提供對流體體積的流和溫度的操縱，并且可以提供在加熱和冷卻、制冷、電生成、相干和不相干光發(fā)射、氣體泵抽、等離子體和顆粒束生成、顆粒束加速、化學處理和其它的范圍內的實際應用。本公開的另外目標和優(yōu)點部分將在接下來的描述中闡述，并且部分將從所述描述中顯而易見，或者可以通過實行符合本公開的實施方案而得知。所述目標和優(yōu)點可通過特別在隨附權利要求書中指出的元件和組合而實現(xiàn)和達成。應了解前述大體描述和下文詳細描述兩者僅是示例性的和說明性的并且不限制如所要求的本發(fā)明。附圖
簡述并入本說明書中并且構成本說明書的一部分的附圖示出本公開的實施方案并且與描述一起用于說明本公開的原理。圖I描繪符合本公開的示例性熱量交換系統(tǒng)；圖2是圖I的系統(tǒng)的加速元件內的微通道的示例性圖；圖3是符合本公開的反射性碰撞的示例性圖示；圖4是圖I的系統(tǒng)的減速元件內的微通道的示例性圖；圖5描繪界面和連接圖I的系統(tǒng)的加速元件和減速元件的連接通道的示例性圖；和圖6描繪圖I的系統(tǒng)的加速元件內的微通道的壁的示例性法向向量和角度偏移。
具體實施例方式現(xiàn)在將詳細參考本公開的本實施方案(示例性實施方案)，附圖中示出本實施方案的特征。無論在什么情況下，全部圖中將使用相同的參考數(shù)字來指代相同或類似部件。圖I描繪符合本公開的示例性熱量交換系統(tǒng)100的圖。泵150被構造為生成流體流(舉例來說諸如空氣)和/或將所述流體流維持為從通道152到通道151。箭頭118指示進入通道151的示例性流體流，并且箭頭128指示來自通道152的示例性流體流。一般來說，符合本公開的是，子系統(tǒng)110可以包括多個加速元件115，其中每個加速元件115包括與通道151流體連通的微通道(下文將對其進行進一步描述)。此外，子系統(tǒng)120可以包括多個減速元件125，其中每個減速元件125還包括與通道152流體連通的微通道(下文將對其進行進一步描述)。更進一步地說，符合本公開的示例性實施方案的是，每個加速元件115的每個微通道與每個減速元件125的每個微通道之間可存在一對一的對應性，其中所述一對一的對應性可通過確保每個加速元件115的微通道通過界面130與減速元件125的微通道流體連通而實現(xiàn)。在優(yōu)選實施方案中，每對加速元件115和減速元件125可從冷側(加速元件115)轉移100瓦到熱側(減速元件125)。這樣一對100瓦加速元件和減速元件內的這樣一個加速元件115的尺寸可為100毫米乘100毫米。在另一實施方案中，另外的熱量交換元件(未示出)可附貼到每個加速元件115和減速元件125。在符合本公開的實施方案中，另外的熱量交換元件可為基本上平坦(諸如加速元件115和減速元件125是平坦的)并且用于將熱從減速元件125傳出到周圍空氣中(通過提供另外的表面積來消散這種能量)，或用于將熱量從周圍空氣傳導到加速元件115 (再次通過提供另外的表面積用于冷卻目的)。在一個實施方案中，另外的熱量交換元件可為100毫米XlOO毫米，因此使組合的加速元件115和另外的熱量交換元件100的尺寸為100毫米X 200毫米，并且使組合的減速元件125和另外的熱量交換元件100的尺寸為 100毫米X 200毫米。在圖I所描繪的實施方案中，在具有二十(20)對這樣的所描繪的加速元件115和減速元件125的情況下，系統(tǒng)100能夠從子系統(tǒng)110轉移2千瓦到子系統(tǒng)120。在另一優(yōu)選實施方案中，在具有這樣35對能夠從冷側轉移3. 5千瓦到熱側的情況下，3. 5千瓦系統(tǒng)的高度H可為近似300毫米。如果界面130是10毫米寬(并且將上述另外的熱量交換元件考慮在內)，那么這樣一個3. 5千瓦系統(tǒng)的總體尺寸可為300毫米X210毫米X200毫米。此外，通道151和通道152的示例性直徑可為25毫米或更大。此外，在這樣一個示例性3. 5千瓦系統(tǒng)中，如果流體是空氣，那么泵150可為300-500瓦的空氣泵。更進一步地說，在這樣一個示例性實施方案中，將循環(huán)通過系統(tǒng)100的空氣可從系統(tǒng)100的直接環(huán)境汲取。通道151通過多個加速元件115內的多個微通道、界面130和減速元件125與通道152流體連通。箭頭138描繪通過界面130從加速元件115到減速元件125的流體流。圖2是圖I的示例性加速元件115內的微通道210的示意圖。通道151描繪為加速元件115中的開口并且與微通道210流體連通。如圖2中所描繪的微通道210的比例僅出于圖示目的。微通道210可被設計成小型(S卩，在優(yōu)選實施方案中具有可小到近似3e-llm2/線性微米到6e-10m2/線性微米的內部表面積，其可分別對應于具有近似9微米到180微米直徑的通道)。如圖2中所描繪，在示例性實施方案中，微通道210近似限于平坦區(qū)域(B卩，加速元件115)并且呈現(xiàn)為螺旋體使得從通道151進入的流體進入微通道210，畫出半徑增加的弧直到流體進入線性通道220。在優(yōu)選實施方案中，來自通道151直到到達線性通道220的微通道210的總長度可為近似IOmm到I米以上。更進一步地說，如上所論述，在其中加速元件115是一對100瓦加速元件和減速元件之一的優(yōu)選實施方案中，寬度W可為100毫米。此外，在優(yōu)選實施方案中，微通道210的壁可基本上是反射性的，圖3更詳細地描繪圖2的一部分。具體來說，箭頭325表示在組成顆粒310與壁305碰撞之前組成顆粒310的速度分量。(壁305是微通道210的示例性壁的放大圖，并且根據(jù)優(yōu)選實施方案，組成顆粒310對應于流動通過微通道210的示例性流體中的組成顆粒。)法線306表示垂直于由壁305界定的平面的軸。箭頭335表示在組成顆粒310與壁305碰撞后組成顆粒310的速度分量。如本文所使用，組成顆粒310與壁305之間的反射性碰撞是其中組成顆粒310中平行于組成顆粒310與壁305之間的碰撞近端的壁305的局部部分301所確定的平面302的速度分量在碰撞前后基本上相同的碰撞。此外，在反射性碰撞期間，與垂直于壁305的平面的速度分量相關的組成顆粒310的速度在碰撞前后可為基本上相同。本領域所屬技術人員應明白如本文所使用的術語“反射性碰撞”不應被解釋為僅適用于彈性碰撞。而是，由于在微通道的壁305與多個組成顆粒310之間可存在能量(一般來說)的轉移，所以應了解組成顆粒310與壁305之間的任何一個特定反射性碰撞可使組成顆粒310的動能相對于其碰撞前所擁有的動能增加或減小。例如，如果存在從壁305到組成顆粒310的能量轉移，那么人們將預期組成顆粒310與平行于壁305的平面之間的銳角在碰撞后會比碰撞前大。同樣地，如果存在從組成顆粒310到壁305的能量轉移，那么人們將預期組成顆粒310與平行于壁305的平面之間的銳角在碰撞后將會比碰撞前小。此外，如果包括多個組成顆粒的流體的溫度不同于壁的溫度，那么可存在從流體到壁或從壁到流體的內部能量轉移(取決于哪個的溫度較高)。如果多個組成顆粒310與壁305之間的碰撞如本文所使用基本上是反射性的，那么從流過微通道210的流體到壁305或從壁305到流過微通道210的流體的能量轉移可主要通過碰撞期間組成顆粒310中與垂直于壁305的平面的速度分量的改變相關的組成成顆粒310的速度的平均改變而發(fā)生。人們還應明白在碰撞期間組成顆粒310的速度分量的這種變化可改變碰撞過程引起的組成顆粒310的總體速度。在符合本公開的實施方案中，微通道210的壁的表面可包括構造用于反射性碰撞的任何合適材料，諸如硅、鎢、金、鉬和金剛石。這個表面可使用多種MEM制造技術中的任一技術(包括但不限于濺射法和蒸發(fā)沉積法)而沉積到微通道210上。此外，符合本公開的是，具有細粒小到IOOnm和20nm的粗糙度Ra的金剛石光滑膜可生長到通道壁上。在一個實施方案中，金剛石由于其熔點(即，在一個大氣壓下近似4000K)和其硬度(S卩，莫氏硬度表中為alO)而可為優(yōu)選的。符合本公開的另一實施方案的是，微通道210的壁的表面還可包括碳化鎢、玻璃和熱解石墨——至少部分由于其1700W/mK的高熱導率。微通道210還可包括熱 解石墨基板上的金剛石納米顆粒月吳。圖4是圖I的示例性減速元件125內的微通道410的示意圖。通道152被描繪為減速元件125中的開口，并且與微通道410流體連通。再者，如圖4中所描繪的微通道410的比例僅出于圖示目的。微通道410可被設計為小型(B卩，在優(yōu)選實施方案中具有可小到近似3e-llm2/線性微米到6e-10m2/線性微米的內部表面積，其可分別對應于具有近似9微米到180微米直徑的通道)。在示例性實施方案中，如圖4中所描繪，微通道410近似限于平坦區(qū)域(即，加速元件125)并且呈現(xiàn)為螺旋體使得從線性通道420進入的流體進入微通道410，畫出半徑減小的弧直到流體進入通道152。在優(yōu)選實施方案中，來自線性通道420直到到達通道152的微通道410的總長度可為近似IOmm到I米以上。更進一步地說，如上所論述，在其中減速元件125是一對100瓦加速元件和減速元件之一的優(yōu)選實施方案中，寬度W可為100毫米。此外，在優(yōu)選實施方案中，微通道410的壁可基本上是反射性的。在符合本公開的實施方案中，微通道410的壁的表面可包括構造用于反射性碰撞的任何合適材料，諸如硅、鎢、金、鉬和金剛石。這個表面可使用多種MEM制造技術中的任一技術(包括但不限于濺射法和蒸發(fā)沉積法)而沉積到微通道410上。此外，符合本公開的是，具有細粒小到IOOnm和20nm的粗糙度Ra的金剛石光滑膜可生長到通道壁上。在一個實施方案中，金剛石由于其熔點(即，在一個大氣壓中近似4000K)和其硬度(S卩，莫氏硬度表中為alO)而可為優(yōu)選的。符合本公開的另一實施方案的是，微通道410的壁的表面還可包括碳化鎢、玻璃和熱解石墨——至少部分由于其1700W/mK的高熱導率。微通道410還可包括熱解石墨基板上的金剛石納米顆粒月吳。圖5描繪通過界面130的線性通道220與線性通道420之間的連接510。在優(yōu)選實施方案中，如果流體是空氣，那么通道151可保持在相對較高的壓力下，并且通道152可保持在相對較低的壓力下，以允許流體流通過多個加速元件115和減速元件125。在優(yōu)選實施方案中，通道151可呈現(xiàn)近似I大氣壓力或以上的壓力，并且通道152可呈現(xiàn)近似通道151的壓力的O. 528的壓力。
參考圖6，其描繪微通道210的擴大圖，通過使用如上所論述的壓力差，在微通道210的內部部分上(即，流入開口 601的近端處)的流體可被引致流過半徑增加的螺旋體。如果流體的溫度在流入開口 601上是T1，那么組成顆粒(諸如圖3中的組成顆粒310)可由速度分布(其平均速度與溫度成比例)表示。如果流入開口 601的喉部是小的(例如，任何地方都為O. 01 μ m2到500 μ m2，其中流體是空氣)，那么移動通過流入開口 601到微通道210中的組成顆?？沙尸F(xiàn)使其平行于方向650的分量大于其垂直于方向650的分量的速度。因此，通過微通道210的流體獲得主要平行于方向650的流動速度。與在方向650上的流體流相關的動能從流體的內部熱能汲取，在流體進入流入開口 601之前，其處于1\。能量守恒定律指示由于在T1下的最初熱能的一部分已經(jīng)被轉換成通過微通道210的流體流的動能，所以微通道210中的流體的溫度(在流體速度固定的框架中)可低于T1，我們將所述溫度指定為T2。如果T2也小于微通道210的壁610的溫度(我們將所述溫度指定為Tw)，那么微通道210中的流體可冷卻包括加速元件115的材料。符合本公開的實施方案的微通道210被構造為以至少三種方式增強這種溫度變化對通過微通道210的流體的影響。具體來說，如果壁610和流體中的組成顆粒經(jīng)過構造使得壁610與組成顆粒之間的碰撞基本上是反射性的，那么這類碰撞一其是在壁610與流體之間轉移能量的方式——將對通過微通道210的流體的總流產生最小的影響。換句話說，如果組成顆粒與壁610之間的碰撞使得組成顆粒的速度同樣可能在遠離壁610的任何方向上(即，非反射性碰撞)，那么多個這類碰撞將對使流體流減速產生影響，從而也將可能對升高微通道210的內部溫度產生影響。符合本公開的實施方案的微通道210被構造為通過選擇性地避免非反射性碰撞的影響而增強冷卻影響。此外，由于微通道210的外壁被構造為大體上增大的螺旋體，所以從微通道210的壁的連續(xù)部分(諸如部分610、615和620)鏡面散射組成顆?？蓪⒋怪庇谕ㄟ^微通道210的流方向的速度分量(即，徑向速度分量)的一部分轉換成平行于通過微通道210的流的方向的分量。由于螺旋體沿著微通道210的路徑變大，所以隨著流體朝線性通道220行進，組成顆?？稍絹碓缴俚亟?jīng)歷與壁的碰撞(沿著微通道210的路徑)。此外，由于微通道210被設計為小型(S卩，在優(yōu)選實施方案中具有可小到近似 3e-llm2/線性微米到6e-10m2/線性微米的內部表面積)，所以由微通道210的壁所展現(xiàn)的表面積對微通道210內的任何區(qū)域中的流體的給定體積的比率相對較大(即，其中由上述表面包圍的流體的體積是近似8e-17m2/線性微米到3e-15m3/線性微米)。由于微通道210的壁展現(xiàn)給流體體積的表面積是壁與流體115之間進行能量交換的主要方式，所以這可易于使流體與微通道210之間的總體能量交換互動最大化。例如，如圖6中所示，組成顆?？蛇M入流入開口 601，其中分量主要平行于方向650，并且經(jīng)歷與微通道210的壁的局部區(qū)域610的反射性碰撞；并且獲得方向651上的速度分量。組成顆?，F(xiàn)在可經(jīng)歷與微通道210的壁的局部區(qū)域615的反射性碰撞，并且獲得方向652上的速度分量。組成顆?？山?jīng)歷與微通道210的壁的局部區(qū)域620的反射性碰撞，并且獲得沿著微通道210的大體方向上的另一速度分量。角度β對應于法線625與法線630之間的角度偏移。角度α對應于法線630與法線635之間的角度偏移。在優(yōu)選實施方案中，如果第一壁部分與第二壁部分之間的間隔是微通道跨所述間隔的最大寬度的至少N倍(其中，N可為整數(shù))，那么第一法線與第二法線之間的角度偏移可小于N/10度。同樣地，如果第二壁部分與第三壁部分之間的間隔是微通道跨所述間隔的最大寬度的至少N倍，那么第二法線與第三法線之間的角度偏移可小于N/10度。例如，優(yōu)選的是，如果第一壁部分與第二壁部分之間的間隔(第二壁部分與第三壁部分之間的間隔)是微通道跨所述間隔的最大寬度的至少25倍，那么第一法線與第二法線之間的角度偏移(和第二法線與第三法線之間的角度偏移)小于2. 5度。同樣地，優(yōu)選的是，如果局部區(qū)域610與局部區(qū)域615之間的間隔是微通道210跨所述間隔的最大寬度的至少50倍，那么法線625與法線630之間的角度偏移可小于5度。類似地，如果局部區(qū)域615與局部區(qū)域620之間的間隔是微通道210跨所述間隔的最大寬度的至少50倍，那么法線630與法線635之間的角度偏移可小于5度。以此方式，加速元件115可由流體的通過來冷卻，其中流體被構造為呈現(xiàn)與微通道210的壁的反射性碰撞。此外，通過加速元件115的流體可被加速即，當流體到達線性通道220時，流體的組成顆粒的速度分量是主要沿著通向連接510的線性通道220的方向。稍微概述并符合本公開的是，流體中的組成顆粒(S卩，分子束中的分子)的平動動能(TKE)可通過與表面的碰撞而減小。從流體轉移到表面的TKE的百分比可取決于流體的速度、表面的光滑度、流體中的組成顆粒的內部動能和表面的動能密度。相較于置于較高能量密度時的光滑表面，具有特定均方根(RMS)速度和恒定的平均入射角的流體(作為分子束)可轉移更多的能量給具有較低動能密度的相同表面。如果表面的能量密度相對于沖擊分子束的能量密度為足夠高，那么將沒有能量從所述束轉移到所述表面。導致凈能量轉移到表面的表面碰撞可減小流體中的組成顆粒的內部動能能級。當分子的內部能級已經(jīng)充分減小(諸如通過振動能級)時，其可以與減小的內部能級相當?shù)念l率發(fā)射一個或多個光子。相同的操作原理可應用于減速元件125，其中微通道410被構造為對從線性通道420通過到通道152的流體展現(xiàn)連續(xù)較小半徑的螺旋體。以此方式，隨著流體朝通道152行進，從連接510到達線性通道420的高速流體可越來越多地經(jīng)歷與壁的碰撞(沿著微通道210的路徑)。如同加速元件115和微通道210，減速元件125中的微通道410的壁被構造為致使通過微通道410的流體中的組成顆粒經(jīng)歷反射性碰撞。此外，如果流體的組成顆粒是分子(并且，例如如果流體是氣體)，那么組成顆粒的特定振動狀態(tài)可因在微通道410與通道152之間的內部開口附近達成的溫度增加而布居。符合本公開的是，可用于冷卻電子器件、制冷、空氣調節(jié)和其它應用的MEMS裝置(諸如加速元件115和減速元件125)中的分子束可呈現(xiàn)高RMS速度。由室內空氣組成、具有2，000米/秒的RMS速度的分子束具有靜止空氣在4，000K以上(溫度正好超出大部分材料的熔點)時的平動動能。制冷系統(tǒng)的熱側熱量交換器將優(yōu)選地具有從加速的分子束提取精確量的平動動能和內部動能兩者而不損壞由常規(guī)材料(諸如鋁和具有僅933K或更低的熔點的導熱塑料)組成的熱量交換器。相對于所述表面具有高能量密度的快速分子束的平動動能能級的逐步降低允許到所述表面的能量轉移在延長的表面長度內發(fā)生。當更加集中的提取將損壞通道或升高裝置的溫度超出實際限制時，這是從分子束中提取能量的可取方法。使用這種逐步的能量提取方法，制冷系統(tǒng)中的由熔點為933K的鋁制成的熱側熱量交換器可用于以2，OOOm/s或以上的RMS速度將提取的能量從高能量分子束轉移到外部環(huán)境而不損壞熱量交換裝置的通道并且不過度加熱熱量交換裝置的外表面的任何部分。使用逐步的動能提取方法，幾乎任何保形通道材料(包括陶瓷和導熱聚合物)在熱側熱量交換器應用中可用作通道和熱包裝。如本文所述，當分子束經(jīng)歷與半徑逐步減小的弧的一系列表面碰撞時，逐步提取平動動能和內部動能。多種MEMS裝置通道設計可允許分子束經(jīng)歷與半徑逐步減小的弧的這種一系列碰撞。例如，構造為初始半徑較大、隨著長度逐步減小到較小半徑的螺旋體的通道，和使用螺旋運動的離心力保持在衰減的通道的全部直徑處緊鄰所述表面而前進通過通道的螺旋分子束是這類設計的兩個實施例。任何逐步的能量提取設計將用于促進束動能轉 換成光的紅外線波長和光學波長，即使當束的平均能量含量在束突然變慢或停止的情況下可產生較高的頻率發(fā)射時也是這樣。對于需要較高頻率發(fā)射的應用，促進更突然的能量提取方法的設計當然可加以應用并且是在本公開的范圍內。描述來自分子束的平動能量的能量到碰撞表面溫度的近似能量轉移的方程式可通過動力學理論導出。在方程式(3kT)/2=(mv2)/2中，k是玻耳茲曼(Boltzmann)常數(shù)，T是以開氏度為單位的溫度，m是質量并且V是速度。由于能量隨速度的平方的增加而增加，所以可通過使較快束每秒減慢一米而轉移到表面的動能的量可多于可由較慢分子束以相同速度減小轉移到相同表面的量。碰撞表面的局部溫度和延伸到外表面的熱路徑可用具有分子束的已知速度范圍的補足碰撞角控制。符合本公開、逐步從高能量分子束吸收動能的熱量交換器可隨著來自分子束的動能被熱量交換器的內部通道表面吸收而被加熱。假設在內部通道表面與熱量交換器的外部表面之間存在充分導熱的路徑，那么可憑借從熱量交換器到周圍環(huán)境的熱量轉移的常規(guī)方式而使熱量交換器和分子束通道表面與周圍環(huán)境維持所要△ T(溫度的變化)。沿著通道表面從分子束均勻地提取能量的熱量交換器可非常近似幾乎等溫的條件。從平衡分子束提取的能量可用于精確地量化通道腔中的能量模式。普朗克(Plank)輻射公式提供具有可預測能量的光發(fā)射，其等于普朗克常數(shù)乘以頻率。普朗克輻射公式可用于計算從MEMS裝置通道發(fā)射的光的任何所要頻率的平均能量。當瞄準并且平衡分子束將高分辨量的能量轉移到通道的表面時，也可發(fā)生連續(xù)的相干自發(fā)發(fā)射。對所發(fā)射的光頻率的通道透明度可以允許光逃出通道用于實際用途，所述實際用途包括任何激光應用和如來自通道的光激性發(fā)射的通量路徑中的光二極管陣列可發(fā)生的光能量到電流的轉換。電流的電壓可涉及通道材料的帶隙能量。相干發(fā)射可以允許光二極管具有窄帶寬以高效地將所提取的能量從分子束轉換到所要電壓的電流。來自若干通道的相干發(fā)射和同相發(fā)射可使用超平晶圓表面容易地從MEMS裝置上的一系列平行通道表面獲得。相干發(fā)射的能量密度可以用平行通道之間的亞微米間隙實現(xiàn)。具有具極佳光學同質性的光學和UV透明通道的MEMS裝置可以使用多種材料制造。如鍺和Amtir所能夠般，硅可對一些紅外線頻率提供合適的透明光學同質性。藍寶石、氧化釔和釔鋁石榴石也提供極佳的紅外線光學透射性?？舍槍V和光學波長使用光學玻璃。在優(yōu)選實施方案中，架構或微通道210和微通道410可以減小泵抽功率需求。至少部分歸因于這種架構，與性能系數(shù)(“C0P”)相關的值可為10或更大。
在符合本公開的另一實施方案中，通過在不同壓力下操作，COP的值可為10或更大。例如，在示例性實施方案中，每個組成顆粒(或分子)所需的功率是壓力比率且非壓力的函數(shù)。對于在較高壓力下操作但被構造為呈現(xiàn)相同壓力比率的示例性系統(tǒng)100，每個組成顆粒的泵抽成本將保持相同，但是如果組成顆粒可提供較高的熱量轉移速率并且可產生10或更高的C0P，那么流的密度更高(即，分子束密度更高)。符合本公開的材料和組件，諸如上述示例性裝置，對已被認定的全部問題提供解決方案。在考慮了本文所公開的實施方案的說明和實踐后，本領域所屬技術人員將明白符合本公開的其它實施方案。希望說明書和實施例僅被視為示例性，本發(fā)明的真實范圍和精神由下列權利要求書指示。
權利要求
1.一種設備，其包括 微通道，其包括壁部分；和 流體，其包括組成顆粒； 其中所述微通道被構造為容納在基本上垂直于所述微通道的橫截面的第一方向上的流體流；且 其中所述壁部分和所述組成顆粒經(jīng)過構造使得所述組成顆粒和所述壁部分之間的碰撞基本上是反射性的；且 其中所述壁部分至少包括第一壁部分、第二壁部分、第三壁部分、第一中間壁部分和第二中間壁部分； 其中所述第一壁部分的邊界與所述第一中間壁部分的第一邊界相接，所述第二壁部分的第一邊界與所述第一中間壁部分的第二邊界相接，所述第二壁部分的第二邊界與所述第二中間壁部分的第一邊界相接，且所述第三壁部分的邊界與所述第二中間壁部分的第二邊界相接，使得所述第一壁部分、所述第二中間壁部分、所述第二壁部分、所述第二中間壁部分和所述第三壁部分形成所述微通道的所述壁的相接部分；且 其中所述第一壁部分的第一法線不平行于所述第二壁部分的第二法線，并且也不平行于所述第三壁部分的第三法線，并且其中所述第二法線也不平行于所述第三法線；且 其中所述第一法線與所述第二法線之間的角度偏移小于90度，并且與所述第二法線與所述第三法線之間的角度偏移近似相同。
2.根據(jù)權利要求I所述的設備，其中所述第一壁部分與所述第二壁部分之間的間隔是所述微通道跨所述間隔的最大寬度的至少整數(shù)N倍。
3.根據(jù)權利要求2所述的設備，其中所述第一法線與所述第二法線之間的所述角度偏移小于M度，其中M等于N/10。
4.根據(jù)權利要求I所述的設備，其中所述第一壁部分與所述第二壁部分之間的間隔是所述微通道跨所述間隔的最大寬度的至少25倍。
5.根據(jù)權利要求4所述的設備，其中所述第一法線與所述第二法線之間的所述角度偏移為至少2. 5度。
6.根據(jù)權利要求I所述的設備，其中所述第一壁部分與所述第二壁部分之間的間隔是所述微通道跨所述間隔的最大寬度的至少50倍。
7.根據(jù)權利要求6所述的設備，其中所述第一法線與所述第二法線之間的所述角度偏移小于5度。
8.根據(jù)權利要求I所述的設備，其中所述流體是氣體。
9.根據(jù)權利要求8所述的設備，其中所述氣體包括空氣。
10.根據(jù)權利要求I所述的設備，其中所述微通道基本上限于平坦區(qū)域。
11.根據(jù)權利要求10所述的設備，其中所述微通道的路徑是具有內部部分和外部部分的螺旋體，其中所述外部部分的半徑大于所述內部部分的半徑。
12.根據(jù)權利要求11所述的設備，其中流體微通道的所述流是從所述內部部分到所述外部部分。
13.根據(jù)權利要求11所述的設備，其中流體微通道的所述流是從所述外部部分到所述內部部分。
14.一種用于熱量交換的系統(tǒng)，其包括 加速元件，其包括根據(jù)權利要求12所述的設備； 減速元件，其包括根據(jù)權利要求13所述的設備； 界面，其包括與所述加速元件的所述微通道和所述減速元件的所述微通道流體連通的微通道； 其中所述加速元件的所述流體包括所述流體的基本上在第一壓力下的第一部分并且所述減速元件的所述流體包括所述流體的基本上在小于所述第一壓力的第二壓力下的第二部分。
15.根據(jù)權利要求I所述的設備，其中所述顆粒選自分子或原子中的至少一個。
16.根據(jù)權利要求I所述的設備，其中所述微通道的橫截面基本上呈圓形。
17.根據(jù)權利要求I所述的設備，其中所述微通道的橫截面基本上呈橢圓形。
18.根據(jù)權利要求I所述的設備，其中所述微通道的橫截面基本上呈正方形。
19.根據(jù)權利要求I所述的設備，其中所述微通道的橫截面基本上呈矩形。
20.根據(jù)權利要求14所述的系統(tǒng)，其還包括所述減速元件近端的熱電裝置。
21.根據(jù)權利要求14所述的系統(tǒng)，其還包括所述減速元件近端的光電裝置。
22.根據(jù)權利要求14所述的系統(tǒng)，其還包括導電地附貼到所述減速元件的熱量交換元件。
23.根據(jù)權利要求14所述的系統(tǒng)，其還包括導電地附貼到所述加速元件的熱量交換元件。
24.根據(jù)權利要求14所述的系統(tǒng)，其中所述加速元件和所述減速元件被構造為以至少100瓦的速率將熱能從所述加速元件轉移到所述減速元件。
25.根據(jù)權利要求24所述的系統(tǒng)，其中所述加速元件和所述減速元件中的每一個是近似100毫米乘100毫米。
26.根據(jù)權利要求25所述的系統(tǒng)，其中所述加速元件的所述微通道的至少一部分和所述減速元件的所述微通道的至少一部分的每一個構造有介于近似3e-llm2/線性微米到6e-10m2/線性微米之間的內部表面積。
27.根據(jù)權利要求I所述的設備，其中所述壁部分包括使用濺射法沉積的材料。
28.根據(jù)權利要求I所述的設備，其中所述壁部分包括使用蒸發(fā)沉積法沉積的材料。
29.根據(jù)權利要求I所述的設備，其中所述壁部分包括具有高熔點的材料。
30.根據(jù)權利要求I所述的設備，其中所述壁部分包括具有高密度的材料。
31.根據(jù)權利要求I所述的設備，其中所述壁部分還包括涂覆材料。
32.根據(jù)權利要求I所述的設備，其中所述壁部分包括使用濺射法在基板上沉積的涂覆材料，并且其中所述組成顆粒與所述壁部分之間的所述基本上為反射性的碰撞包括所述組成顆粒與所述涂覆材料之間的基本上為反射性的碰撞。
33.根據(jù)權利要求I所述的設備，其中所述壁部分包括使用蒸發(fā)沉積法在基板材料上沉積的涂覆材料，并且其中所述組成顆粒與所述壁部分之間的所述基本上為反射性的碰撞包括在所述組成顆粒與所述涂覆材料之間的基本上為反射性的碰撞。
34.根據(jù)權利要求32所述的設備，其中所述基板為銅。
35.根據(jù)權利要求34所述的設備，其中所述涂覆材料為鎢。
36.根據(jù)權利要求I所述的設備，其中所述壁部分被制造為大體上是光滑的。
37.一種方法，其包括 提供包括壁部分的微通道；和 提供包括組成顆粒的流體； 鄰近于所述壁部分引致所述流體的流； 其中所述微通道被構造為容納在基本上垂直于所述微通道的橫截面的第一方向上的所述流體流；且 其中所述壁部分和所述組成顆粒經(jīng)過構造使得所述組成顆粒與所述壁部分之間的碰撞基本上是反射性的；且 其中所述壁部分至少包括第一壁部分、第二壁部分、第三壁部分、第一中間壁部分和第二中間壁部分； 其中所述第一壁部分的邊界與所述第一中間壁部分的第一邊界相接，所述第二壁部分的第一邊界與所述第一中間壁部分的第二邊界相接，所述第二壁部分的第二邊界與所述第二中間壁部分的第一邊界相接，且所述第三壁部分的邊界與所述第二中間壁部分的第二邊界相接，使得所述第一壁部分、所述第一中間壁部分、所述第二壁部分、所述第二中間壁部分和所述第三壁部分形成所述微通道的所述壁的相接部分；且 其中所述第一壁部分的第一法線不平行于所述第二壁部分的第二法線，并且也不平行于所述第三壁部分的第三法線，并且其中所述第二法線也不平行于所述第三法線；且 其中所述第一法線與所述第二法線之間的角度偏移小于90度，并且與所述第二法線與所述第三法線之間的角度偏移近似相同。
38.根據(jù)權利要求37所述的方法，其中所述第一壁部分與所述第二壁部分之間的間隔是所述微通道跨所述間隔的最大寬度的至少整數(shù)N倍。
39.根據(jù)權利要求38所述的方法，其中所述第一法線與所述第二法線之間的所述角度偏移小于M度，其中M等于N/10。
40.根據(jù)權利要求37所述的方法，其中所述第一壁部分與所述第二壁部分之間的間隔是所述微通道跨所述間隔的最大寬度的至少25倍。
41.根據(jù)權利要求40所述的方法，其中所述法線與所述第二法線之間的所述角度偏移小于2. 5度。
42.根據(jù)權利要求37所述的方法，其中所述第一壁部分與所述第二壁部分之間的間隔是所述微通道跨所述間隔的最大寬度的至少50倍。
43.根據(jù)權利要求42所述的方法，其中所述第一法線與所述第二法線之間的所述角度偏移小于5度。
44.根據(jù)權利要求37所述的方法，其中 提供包括壁部分的微通道的步驟包括 在第一時間在第一溫度下提供所述壁部分；且其中 所述流體的一部分在介于所述第一時間與遲于所述第一時間的第二時間之間的時段期間流過所述微通道；且其中 所述壁部分在所述第二時間呈現(xiàn)小于所述第一溫度的第二溫度。
45.根據(jù)權利要求37所述的方法，其中所述流體是氣體。
46.根據(jù)權利要求45所述的方法，其中所述氣體包括空氣。
47.根據(jù)權利要求37所述的方法，其中所述顆粒是選自分子或原子中的至少一個。
48.根據(jù)權利要求37所述的方法，其中所述微通道基本上限于平坦區(qū)域。
49.根據(jù)權利要求48所述的方法，其中所述微通道的路徑是具有內部部分和外部部分的螺旋體，其中所述外部部分的半徑大于所述內部部分的半徑。
50.根據(jù)權利要求49所述的方法，其中流體微通道的所述流是從所述內部部分到所述外部部分。
51.根據(jù)權利要求49所述的方法，其中流體微通道的所述流是從所述外部部分到所述內部部分。
52.—種熱量交換方法,其包括 提供加速元件，其包括根據(jù)權利要求50所述的方法； 提供減速元件，其包括根據(jù)權利要求51所述的方法； 提供界面，所述界面包括與所述加速元件的所述微通道和所述減速元件的所述微通道流體連通的微通道； 其中所述加速元件的所述流體包括所述流體的基本上在第一壓力下的第一部分并且所述減速元件的所述流體包括所述流體的基本上在小于所述第一壓力的第二壓力下的第二部分。
53.根據(jù)權利要求37所述的方法，其中所述微通道的橫截面基本上呈圓形。
54.根據(jù)權利要求37所述的方法，其中所述微通道的橫截面基本上呈橢圓形。
55.根據(jù)權利要求37所述的方法，其中所述微通道的橫截面基本上呈正方形。
56.根據(jù)權利要求37所述的方法，其中所述微通道的橫截面基本上呈矩形。
57.根據(jù)權利要求52所述的方法，其還包括提供所述減速元件近端的熱電裝置。
58.根據(jù)權利要求52所述的方法，其還包括提供所述減速元件近端的光電裝置。
59.根據(jù)權利要求52所述的方法，其還包括提供導電地附貼到所述減速元件的熱量交換元件。
60.根據(jù)權利要求52所述的方法，其還包括提供導電地附貼到所述加速元件的熱量交換元件。
61.根據(jù)權利要求52所述的方法，其中所述加速元件和所述減速元件被構造為以至少100瓦的速率將熱能從所述加速元件轉移到所述減速元件。
62.根據(jù)權利要求61所述的方法，其中所述加速元件和所述減速元件中的每一個是近似100毫米乘100毫米。
63.根據(jù)權利要求62所述的方法，其中所述加速元件的所述微通道的至少一部分和所述減速元件的所述微通道的至少一部分的每一個被構造為具有介于近似3e-llm2/線性微米到6e-10m2/線性微米之間的內部表面積。
64.根據(jù)權利要求37所述的方法，其中提供包括壁部分的微通道還包括使用濺射法在所述微通道的表面上沉積材料。
65.根據(jù)權利要求37所述的方法，其中提供包括壁部分的微通道還包括使用蒸發(fā)沉積法在所述微通道的表面上沉積材料。
66.根據(jù)權利要求37所述的方法，其中所述壁部分包括具有高熔點的材料。
67.根據(jù)權利要求37所述的方法，其中所述壁部分包括具有高密度的材料。
68.根據(jù)權利要求64所述的方法，其中所述表面為銅。
69.根據(jù)權利要求68所述的方法，其中所述材料為鎢。
70.根據(jù)權利要求37所述的方法，其中所述壁部分被制造為大體上是光滑的。
全文摘要
本發(fā)明提供涉及制造微型通道并結合用于熱量交換系統(tǒng)的流體使用微型通道的材料、組件和方法，其中部分通過所述微型通道的宏觀幾何形態(tài)和所述微型通道的壁的至少一部分的構造以及組成所述流體的組成顆?？刂扑隽黧w的溫度和流動。此外，所述微型通道的所述壁和所述組成顆粒經(jīng)過構造使得所述組成顆粒與所述壁之間的碰撞基本上是反射性的。本文所提供的加速元件和減速元件可被構造為具有可勾勒出大體上為螺旋形的路徑的微型通道。
文檔編號F28D15/00GK102985781SQ201180034467
公開日2013年3月20日 申請日期2011年5月20日 優(yōu)先權日2010年5月23日
發(fā)明者斯科特·戴維斯 申請人:福斯德物理學有限責任公司