用於控制流體溫度和流動的方法和設備的製作方法

2023-06-17 19:06:31

專利名稱：用於控制流體溫度和流動的方法和設備的製作方法
技術領域：
符合本發明的材料、組件、和方法涉及具有流體的微尺度溝槽的製造和使用，其中流體的溫度和流動至少部分地通過溝槽的幾何形狀和溝槽壁的至少一部分的構型以及構成流體的組分粒子控制。
背景技術：
一定體積的流體(例如空氣)的特徵可為溫度和壓力。當將一定體積的流體考慮為包括(例如)氧氣和氮氣分子的組分粒子的集合時，其在給定溫度下的特徵也可為組分粒子速度的分布。此分布的特徵通常可為平均速度，據理解該平均速度與流體(如氣體) 的溫度具有關係。因此，流體的內部熱能為涉及加熱、冷卻、和產生流體流動的應用提供能量源。一種利用流體(例如氣體)的內部熱能的方式描述於美國專利號7，008，176和6，932，564中， 上述專利全文以引用方式併入本文中。當利用流體(例如氣體)的內部熱能的裝置通過下述方式工作時，即基於使用移動部件選擇粒子移動方向或其速度從而來選擇流體的組分粒子，則存在下述需要，即可控制流體速度和溫度、但不是基於這種移動部件的方法和裝置。因此，本發明的主要目標是為下述系統和方法提供解決方案，所述系統和方法受益於流體的冷卻、加熱、和/或流動控制但基於不依靠移動部件的原理工作。這是通過製造和憑藉採用一個或多個微尺度溝槽(微溝槽摂)的系統來實現的， 所述微尺度溝槽被構造用於適應流體的流動，並且其中流體內的組分粒子被構造為使得組分粒子和微溝槽壁之間的碰撞為基本上鏡面的。發明概述符合本發明的示例性微溝槽被構造具有彼此流體連通的流入開口和流出開口。如本文所用，微溝槽的「橫截面」是指微溝槽的下述特徵面，其基本上垂直於由穿過微溝槽的流體的總體流動定義的方向。如本文所用，微溝槽的「喉部」是指微溝槽在其橫截面中具有局部最小值的部分。 應當注意，對於一個微溝槽，可存在多個喉部。在符合本發明的一個實施例中，微溝槽的流入開口被構造為微溝槽的喉部，並且微溝槽的壁被構造為提供下述微溝槽，所述微溝槽在沿流體流動的方向上具有逐漸連續性增大的橫截面。在此示例性實施例中(其中(例如)流體為空氣)，流入開口優選為100μπΓ2並且可為0.01μπΓ2至500μπΓ2範圍內的任何值。此外，流出開口優選為 3000 μ m"2並且可為0. 1 μ πΓ2至50，000 μ πΓ2範圍內的任何值。微溝槽的壁的長度(即，微溝槽的流入開口和流出開口之間的線性距離)優選為30mm並且可為0. Olmm至10米範圍內的任何值。在符合本發明的另一個實施例中，流入開口和流出開口的尺寸(以及橫截面隨長度變化的尺寸)可與剛才所論述的相顛倒。例如，流入開口優選為3000μπΓ2並且可為0. 1 μ πΓ2至50，000 μ πΓ2範圍內的任何值，並且流出開口優選為100 μ m"2並且可為 0. 01 μ πΓ2至500 μ πΓ2範圍內的任何值。在符合本發明的另一個實施例中，微溝槽的流入開口被構造為微溝槽的喉部，並且微溝槽的壁被構造為提供下述微溝槽，所述微溝槽具有在喉部附近急劇增大的橫截面以及隨後沿流體流動方向基本上固定的橫截面。在此示例性實施例中(其中(例如)流體為空氣)，流入開口優選為100 μ m"2並且可為0. 01 μ πΓ2至500 μ πΓ2範圍內的任何值。此流入開口在擴展為較大的、基本上恆定的開口之前的示例性長度可為大約500 μ m。此外，流出開口優選為3000 μ m"2並且可為0. 1 μ πΓ2至50，000 μ πΓ2範圍內的任何值。微溝槽的壁的長度(即，微溝槽的流入開口和流出開口之間的線性距離)優選為30mm並且可為0.01mm至 50米範圍內的任何值。在符合本發明的另一個實施例中，流入開口和流出開口的尺寸(以及橫截面隨長度變化的尺寸)可與剛才所論述的相顛倒。例如，流入開口優選為3000 μ πΓ2 並且可為0. 1 μ m~2至50，000 μ m~2範圍內的任何值，並且流出開口優選為100 μ m"2並且可為0. 01μπΓ2至500μπΓ2範圍內的任何值。在符合本發明的另一個實施例中，微溝槽的流入開口和流出開口均被構造為微溝槽的喉部(即，在橫截面中表現局部最小值)，並且微溝槽的壁被構造為提供下述微溝槽， 所述微溝槽具有沿流體流動方向逐漸連續性增加至最大值-優選為流入開口和流出開口之間的中間位置-的橫截面以及隨後沿流體流動方向逐漸連續性減小至流出開口處的局部最小值的橫截面。在此示例性實施例中(其中(例如)流體為空氣)，流入開口和流出開口優選為10(^111~2並且可為0.0111111~2至50(^111~2範圍內的任何值。流入開口和流出開口之間的橫截面的最大值優選為3000 μ m"2並且可為0. 1 μ πΓ2至50，000 μ πΓ2範圍內的任何值。微溝槽的壁的長度(即，微溝槽的流入開口和流出開口之間的線性距離)優選為 30mm並且可為0. 02mm至100米範圍內的任何值。在符合本發明的另一個實施例中，微構造的流入開口和流出開口均被構造為微溝槽的喉部，並且微構造的壁被構造為提供下述微溝槽，所述微溝槽具有在流入開口處的喉部附近急劇增大的橫截面、沿流體流動方向基本上固定的橫截面、以及隨後在流出開口處的喉部附近急劇減小的橫截面。在此示例性實施例中(其中(例如)流體為空氣)，流入開口和流出開口優選為100 μ m"2並且可為0. 01 μ πΓ2至500 μ πΓ2範圍內的任何值。流入開口和流出開口之間的橫截面的最大值優選為3000 μ m"2並且可為0. 1 μ πΓ2至50，000 μ m"2 範圍內的任何值。微溝槽的壁的長度(即，微溝槽的流入開口和流出開口之間的線性距離) 優選為30mm並且可為0. 02mm至100米範圍內的任何值。這種流入開口和流出開口的示例性長度(在其擴展為較大的、基本上恆定的橫截面之前)可為大約500 μ m。在符合本發明的另一個實施例中，上述微溝槽段中的任何一個(第一微溝槽段) 可被構造為與另一個微溝槽段(第二微溝槽段)流體連通，例如將第一微溝槽的流出開口構造直接與第二微溝槽的流入開口流體連通。此外，第一微溝槽段和第二微溝槽段可被構造為提供隨微溝槽長度具有相似或基本上相似的壁形狀和尺寸、和相似或基本上相似的喉部尺寸的橫截面。
此外，在符合本發明的另一個實施例中，上述微溝槽段中的任何一個(第一微溝槽段)可被構造為提供基本上平行於另一個微溝槽段(第二微溝槽段)的微溝槽，例如將第一微溝槽段和第二微溝槽段的流入開口構造為彼此流體連通，並且將第一微溝槽段和第二微溝槽段的流出開口構造為彼此流體連通。此外，第一微溝槽段和第二微溝槽段可被構造為提供隨微溝槽長度具有相似或基本上相似的壁形狀和尺寸、以及相似或基本上相似的喉部尺寸的橫截面。另外，操縱一定體積的流體(其中流體包括分子)的流動和溫度允許通過提高一定體積的流體的加熱來產生分子群振動。當允許這些振動激發分子弛豫時，則符合本發明的方法和系統允許產生和操縱由此發出的電磁輻射。此外，操縱一定體積的流體的流動和溫度提供大量的實際應用，包括加熱和冷卻、 冷凍、發電、相干和非相干光的發射、氣體抽運、等離子體和粒子束的產生、粒子束加速、化學過程等等。本發明的其他目標和優點將部分地闡述於隨後的發明詳述中，並且部分地通過發明詳述將變得顯而易見，或者可通過本發明的實施得以理解。本發明的目標和優點將通過所附權利要求書中具體指出的元件和製品來實現和達到。應當理解，上述發明概述和下述發明詳述均僅為示例性和解釋性的，並非限制受權利要求書保護的本發明。引入到本說明書中並且構成其一部分的附示說明本發明的實施例，並且與發明詳述一起用解釋本發明的原理。附圖簡述

圖1為符合本發明的一個實施例的橫截面視圖；圖2為符合本發明和示於(例如)圖1、4、5、和6中的實施例的三個橫截面形狀的選擇性視圖；圖3為符合本發明的鏡面碰撞的示例性圖示；圖4示出了符合本發明的微溝槽的另一個實施例；圖5示出了符合本發明的微溝槽的另一個實施例；圖6示出了符合本發明的另一個實施例；圖7示出了符合本發明的利用符合圖1和4的實施例的串聯構型的實施例；圖8示出了符合本發明的利用符合圖5和6的實施例的串聯構型的實施例；圖9示出了符合本發明的利用符合圖7的實施例的串聯構型的實施例；圖10示出了符合本發明的利用符合圖8的實施例的串聯構型的實施例；圖11示出了符合本發明的利用符合圖1的實施例的並聯構型的實施例；圖12示出了符合本發明的利用符合圖4的實施例的並聯構型的實施例；圖13示出了符合本發明的利用符合圖5的實施例的並聯構型的實施例；圖14示出了符合本發明的利用符合圖6的實施例的並聯構型的實施例；圖15示出了符合本發明的利用符合圖7的實施例的並聯構型的實施例；圖16示出了符合本發明的利用符合圖8的實施例的並聯構型的實施例；圖17示出了符合本發明的利用符合圖9的實施例的並聯構型的實施例；圖18示出了符合本發明的利用符合圖10的實施例的並聯構型的實施例。
發明詳述現在將詳細參見本發明的實施例(示例性實施例)，其特徵示於附圖中。在遍及附圖的任何可能位置處，相同的附圖標記將用於指相同或類似的部件。圖1示出了符合本發明的示例性實施例的視圖。圖1示出了符合本發明的示例性實施例的視圖。微溝槽100包括流入開口 130和流出開口 150。包含組分粒子110的流體 115沿方向120流過微溝槽100。微溝槽100的壁105鄰近流動的流體115。與圖1相關的視圖為符合本發明的微溝槽100的橫截切面視圖。符合本發明的微溝槽100的其他示例性橫截面視圖示於圖2中，並且表示代表符合切面135(示於圖1中)的示例性視圖。例如， 流入開口 130、區域140、和流出開口 150的橫截面可為方形101、圓形102、矩形103、或與有界二維圖形有關的任何其他形狀中的任何一種。再次參見圖1，可使用流入開口 130和流出開口 150之間的壓差促使流體115沿方向120流過微溝槽100。此外，壁105和組分粒子110被構造為使得組分粒子110和微溝槽 100內部(其中內部區域通常由區域140表示)的壁105之間的碰撞為基本上鏡面的。鏡面碰撞以示例性方式更詳細地示於圖3中。圖3更詳細地示出了圖1的一部分。具體地講，箭頭325表示在組分粒子110與壁105碰撞之前的組分粒子110的速度分量。法線305表示垂直於由壁105定義的平面的軸線。箭頭335表示在組分粒子110與壁105碰撞之後的組分粒子110的速度分量。如本文所用，組分粒子110和壁105之間的鏡面碰撞為其中組分粒子110的平行於壁105的平面的速度分量在碰撞之前和之後為基本上相同的。此外，在鏡面碰撞期間，組分粒子110的與垂直於壁105的平面的速度分量相關的速度可在碰撞之前和之前基本上相同。本領域的技術人員應當理解，如本文所用的「鏡面碰撞」不應當解釋為僅適用於彈性碰撞。然而，由於在微溝槽的壁105和多個組分粒子110之間將存在能量轉移(一般來說)，應當理解組分粒子110和壁105之間的任何一種特定鏡面碰撞均可增加或降低組分粒子110的動能(相對其在碰撞之前具有的動能)。例如，如果能量從壁105轉移至組分粒子110，則將會預期到在碰撞之後，組分粒子110和平行於壁105的平面之間的銳角將大於碰撞之前的銳角。同樣，如果能量從組分粒子110轉移至壁105，則將會預期到在碰撞之後，組分粒子110和平行於壁105的平面之間的銳角將小於碰撞之前的銳角。此外，如果包含多個組分粒子的流體的溫度不同於壁的溫度，則可預期到內能從流體轉移至壁、或從壁轉移至流體(取決於何者處於較高溫度)。如果多個組分粒子110和壁105之間的碰撞為如本文所用的基本上鏡面的，則可預期到能量從流體115轉移至壁105或從壁105轉移至流體115主要是通過組分粒子110的速度的平均變化產生的，所述組分粒子的速度的平均變化與其在碰撞期間垂直於壁105的平面的速度分量的變化相關。另外應當理解，組分粒子110在碰撞期間的這種速度分量變化將因碰撞過程而改變組分粒子110的整體速度。返回圖1，可通過在流入開口 130和流出開口 150之間使用壓差，使得通過流入開口 130進入微溝槽100的流體115流至流出開口 150，其中流體115在流入開口 130處的壓力高於流體115在流出開口處的壓力。如果流體115在流入開口 130處的溫度為Tl，則組分粒子110(在進入區域140之前)可表示為平均速度與溫度成比例的速度分布。如果流入開口的喉部較小(例如，0.01 μ πΓ2至500 μ πΓ2的任何值，其中流體為空氣)，則穿過流入開口 130進入區域140的組分粒子110通常將具有下述速度，其平行於方向120的分量大於其垂直於方向120的分量。因此，流體115獲得主要平行於方向120的流動速度。與流體115沿方向120流動相關的動能得自流體115的內部熱能，所述流體在其進入流入開口 130之前處於T1下。能量守恆指示，由於流體115在T1下的初始熱能的一部分已轉換成流體115流動的動能，則流體115(流動速度固定的框架中)在區域140中的溫度(其將被指定為T2)低於T1。如果T2還低於微溝槽100的壁105的溫度(其被指定為 Tw)，則區域140中的流體115將用於冷卻包括微溝槽100的材料。符合本發明的實施例的微溝槽100被構造用於以至少三種方式增加此溫度變化對流體115的影響。具體地講，如果壁105和組分粒子110被構造為使得壁105和組分粒子110之間的碰撞為基本上鏡面的，則這種碰撞-其為壁105和流體115之間的能量轉移方式-將對流體115的整體流動具有最小的影響。換句話講，如果組分粒子110和壁105 之間的碰撞使得組分粒子110的速度等可能地處於遠離壁105的任何方向中(即，非鏡面碰撞)，則多個這種碰撞將具有降低流體115流動的效果，這也將可能具有增加流體115在區域140中的內部溫度的效果。符合本發明的實施例的微溝槽100被構造用於通過選擇性地避免非鏡面碰撞的影響來增加冷卻效果。另外，由於微溝槽100的壁105被構造為提供逐漸增大的橫截面，流體115通過所述橫截面產生流動，組分粒子110遠離壁105的鏡面散射將會把垂直於方向120的速度分量的一部分轉換成平行於方向120的分量。此外，由於微溝槽100被設計為小型的(即，在優選實施例中具有可低至大約 3e-llm"2/線性微米至6e-10nT2/線性微米的內部表面積)，則通過壁105提供的表面積相對區域140中流體115的給定體積的比率相對較大(即，其中由上述表面封閉的流體115 的體積為大約8e-17nT3/線性微米至;3e-15nT3/線性微米)。由於通過壁105提供的相對流體115的體積的表面積為壁105和流體115之間的主要能量交換方式，因此這種方式使得流體115和微溝槽100之間的總能量交換相互作用達到最大。圖4示出了符合本發明的另一個示例性實施例的視圖。微溝槽400包括流入開口 430和流出開口 450。包含組分粒子410的流體415沿方向420流過微溝槽400。微溝槽 400的壁405鄰近流動的流體415。與圖4相關的視圖為為符合本發明的微溝槽400的橫截切面視圖。如此前結合微溝槽100所述，符合本發明的微溝槽400的其他示例性橫截面視圖示於圖2中，並且代表符合切面135(在該情況下，示於圖4中)的示例性視圖。例如， 流入開口 430、區域440、和流出開口 450的橫截面可為方形101、圓形102、矩形103、或與有界二維圖形有關的任何其他形狀中的任何一種。再次參見圖4，可使用流入開口 430和流出開口 450之間的壓差促使流體415沿方向420流過微溝槽400。此外，壁405和組分粒子410被構造為使得組分粒子410和微溝槽 400內部(其中內部區域通常由區域440表示)的壁405之間的碰撞為基本上鏡面的。可利用下述方式促使通過流入開口 430進入微溝槽400的流體415流至流出開口 450，所述方式為(例如)在位於流入開口 430處的流體415上進行工作以產生沿位於流出開口 450取向中的方向420的流動(並且其中(例如)流體415在流入開口 430處的壓力高於流體415在流出開口處的壓力)。如果流體415在流入開口 430處的溫度為Tl，則組分粒子410 (在進入區域440之前)可表示為平均速度與溫度成比例的速度分布。在圖4所考慮的實施例中，據認為流體415的誘發流動平行於方向420。因此，流
11體415中的組分粒子410在方向420上(相對於微溝槽400)相比在垂直於方向420的方向上將具有更大的速度分量。然而與微溝槽100不同，微溝槽400的壁405被構造為提供其中產生流動的逐漸減小的橫截面。因此在這種情況下，組分粒子410遠離壁405的鏡面散射將平行於方向420 的速度分量的一部分轉換成垂直於方向420的分量。流體415的這種從流動能量到內部動能的轉換將往往會增加流體415的溫度。這在流出開口 450附近將變得更加集中。因此， 在該區域附近，微溝槽400被構造用於將與流體415在流入開口 430處相關的流動能量的較大部分轉換成流體415的內部動能。在這些情況下，可希望熱隔離微溝槽400的該部分。例如，可構造微溝槽400中鄰近流出開口的部分以使其不會將熱能傳遞至微溝槽400的其他部分。這種熱隔離區域在圖 4中示為區域455。另外，如果流體415中的組分粒子410為分子(並且(例如)如果流體415為氣體)，則某些振動態的組分粒子410可因溫度在流出開口 450處附近獲得提高而使得粒子數增加。如果這些振動激發分子隨後穿過流出開口 450，則存在下述可能性，即這些振動激發分子將發射電磁輻射以便弛豫至較低的振動態。另外應當注意，微溝槽400可用於在穿過流出開口 450的這些振動激發分子群中產生振動態的粒子束反轉，從而可用於雷射用途中。圖5示出了符合本發明的示例性實施例的另一個視圖。微溝槽500包括流入開口 530和流出開口 550。包含組分粒子510的流體515沿方向520流過微溝槽500。微溝槽500的壁505鄰近流動的流體515。與圖5相關的視圖為符合本發明的微溝槽500的橫截切面的視圖。符合本發明的微溝槽500的其他示例性橫截面視圖示於圖2中，並且表示代表符合切面135(示於圖5中)的示例性視圖。例如，流入開口 530和流出開口 550的橫截面可為方形101、圓形102、矩形103、或與有界二維圖形有關的任何其他形狀中的任何一種。可使用流入開口 530和流出開口 550之間的壓差促使流體515沿方向520流過微溝槽500。此外，壁505和組分粒子510被構造為使得組分粒子510和微溝槽500內部的壁 505之間的碰撞為基本上鏡面的。可使用流入開口 530和流出開口 550之間的壓差促使通過流入開口 530進入微溝槽500流體515流至流出開口 550，其中流體515在流入開口 530處的壓力高於流體515在流出開口處的壓力。如果流體515在流入開口 530處的溫度為Tl，則組分粒子510 (在進入微溝槽500之前)可表示為平均速度與溫度成比例的速度分布。如果流入開口的喉部較小(例如，0.01 μ πΓ2至500 μ πΓ2的任何值，其中流體為空氣，並且其中喉部沿流動方向的長度為大約500 μ m)，則穿過流入開口 530進入微溝槽500 的組分粒子510通常將具有下述速度，其平行於方向520的分量大於其垂直於方向520的分量。因此，流體515獲得主要平行於方向520的流動速度。與流體515沿方向520流動相關的動能得自流體515的內部熱能，所述流體在其進入流入開口 530之前處於Tl下。能量守恆指示，由於流體515在Tl下的初始熱能的一部分已轉換成流體515的流動動能，則流體515(流動速度固定的框架中)在區域MO中的溫度(其將被指定為T2)低於Tl。如
12果T2還低於微溝槽500的壁505的溫度(其被指定為Tw)，則微溝槽500中的流體515將用於冷卻包括微溝槽500的材料。符合本發明的實施例的微溝槽500還被構造用於以至少三種方式增加此溫度變化對流體515的影響。具體地講，如果壁505和組分粒子510被構造為使得壁505和組分粒子510之間的碰撞為基本上鏡面的，則這種碰撞-其為壁505和流體515之間的能量轉移方式-將對流體515的整體流動具有最小的影響。換句話講，如果組分粒子510和壁505 之間的碰撞使得組分粒子510的速度等可能地處於遠離壁505的任何方向中(即，非鏡面碰撞)，則多個這種碰撞將具有降低流體515流動的效果，這也將可能具有增加流體515在區域540中的內部溫度的效果。符合本發明的實施例的微溝槽500被構造用於通過選擇性地避免非鏡面碰撞的影響來增加冷卻效果。另外，由於流體515內的組分粒子510之間的平均自由程通常隨流入開口 530和流出開口 550之間的長度而增加，因此據信組分粒子510遠離壁505的作為沿微溝槽500 的長度的函數的變化的鏡面散射將也可能用於把垂直於方向520的速度分量的一部分轉換成平行於方向520的分量。此外，由於微溝槽500被設計為小型的(即，在優選實施例的基本上恆定的區域中具有可低至大約6e-10nT2/線性微米的內部表面積)，則通過壁505提供的表面積相對區域MO中流體515的給定體積的比率相對較大(即，其中由上述表面封閉的流體115的體積大約為3e-15nT3/線性微米)。由於通過壁505提供的相對流體515的體積的表面積為壁505和流體515之間的主要能量交換方式，因此這種方式使得流體515和微溝槽500之間的總能量交換相互作用達到最大。圖6示出了了符合本發明的另一個示例性實施例的視圖。微溝槽600包括流入開口 630和流出開口 650。包含組分粒子610的流體615沿方向620流過微溝槽600。微溝槽600的壁605鄰近流動的流體615。與圖6相關的視圖為符合本發明的微溝槽600的橫截切面的視圖。如此前結合微溝槽100所述，符合本發明的微溝槽600的其他示例性橫截面視圖示於圖2中，並且代表符合切面135(在該情況下，示於圖6中)的示例性視圖。例如，流入開口 630和流出開口 650的橫截面可為方形101、圓形102、矩形103、或與有界二維圖形有關的任何其他形狀中的任何一種。可使用流入開口 630和流出開口 650之間的壓差促使流體615沿方向620流過微溝槽600。此外，壁605和組分粒子610被構造為使得組分粒子610和微溝槽600內部(其中內部區域通常由區域640表示)的壁605之間的碰撞為基本上鏡面的。可利用下述方式促使通過流入開口 630進入微溝槽600的流體615流至流出開口 650，所述方式為(例如)在位於流入開口 630處的流體615上進行工作以產生沿位於流出開口 650取向中的方向620的流動(並且其中(例如)流體615在流入開口 630處的壓力高於流體615在流出開口處的壓力)。如果流體615在流入開口 630處的溫度為T1，則組分粒子610 (在進入微溝槽600之前)可表示為平均速度與溫度成比例的速度分布。在圖6所考慮的實施例中，據認為流體615的誘發流動平行於方向620。因此，流體615中的組分粒子610在方向620上(相對於微溝槽600)相比在垂直於方向620的方向上將具有更大的速度分量。然而與微溝槽500不同，微溝槽600的壁605被構造用於在流出開口 650附近提供急劇減小的橫截面。因此在這種情況下，組分粒子610遠離壁605的鏡面散射將會把平行於方向620的速度分量的一部分轉換成反向平行於方向620的分量。流體615的這種從流動能量到內部動能的轉換將往往會增加流體615的溫度。這在流出開口 650附近將變得更加集中。因此，在該區域附近，微溝槽600被構造用於將與流體615在流入開口 630處相關的流動能量的較大部分轉換成流體615的內部動能。在這些情況下，可希望熱隔離微溝槽600的該部分。例如，可構造微溝槽600中鄰近流出開口的部分以使其不會將熱能傳遞至微溝槽600的其他部分。這種熱隔離區域在圖 6中示為區域655。如果流體615中的組分粒子610為分子(並且(例如)流體615為氣體)，則某些振動態的組分粒子610可因溫度在流出開口 650附近獲得提高而使得粒子數增加。如果這些振動激發分子隨後穿過流出開口 650，則存在下述可能性，即這些振動激發分子將發射電磁輻射以便弛豫至較低的振動態。另外應當注意，微溝槽600可用於在穿過流出開口 650的這些振動激發分子群中產生振動態的粒子束反轉，從而可用於雷射用途中。圖7示出了符合本發明的另一個示例性實施例的視圖。符合本發明的實施例的微溝槽700被構造為使用圖1和圖4中所示的示例性實施例的線性組合。因此，與圖1和4中所示的實施例相關的論述以引用方式併入本文中。微溝槽700包括流入開口 730和流出開口 750。包含組分粒子710的流體715沿方向720流過微溝槽700。微溝槽700的壁705鄰近流動的流體715。與圖7相關的視圖為類似於圖1和4中提供的視圖的微溝槽700的橫截切面的視圖。可使用流入開口 730和流出開口 750之間的壓差促使通過流入開口 730進入微溝槽700的流體715流至流出開口 750，其中流體715在流入開口 730處的壓力高於流體715 在流出開口處的壓力。此外，壁705和組分粒子710被構造為使得組分粒子710和微溝槽 700內部的壁705之間的碰撞為基本上鏡面的。如果流體715在流入開口 730處的溫度為T1，則組分粒子710 (在進入微溝槽700 之前)可表示為平均速度與溫度成比例的速度分布。如果流入開口的喉部較小(例如，0. 01 μ πΓ2至500 μ nf 2的任何值)，則穿過流入開口 730進入微溝槽700的組分粒子710通常將具有下述速度，其平行於方向720的分量大於其垂直於方向720的分量。因此，流體715獲得主要平行於方向720的流動速度。與流體715沿方向720流動相關的動能得自流體715的內部熱能，所述流體在其進入流入開口 730之前處於Tl下。能量守恆指示，由於流體715在T1下的初始熱能的一部分已轉換成流體715流動的動能，則流體715(流動速度固定的框架中)在中點740之前的溫度(其將被指定為T2)低於1\。如果T2還低於微溝槽700中位於流入開口 730和中點740之間的壁 705的溫度(其被指定為Tw)，則流入開口 730和中點740之間的區域中的流體715將用於冷卻包括微溝槽700的材料。符合本發明的實施例700的微溝槽被構造用於以至少三種方式增加此溫度變化對流體715的影響。具體地講，如果壁705和組分粒子710被構造為使得壁705和組分粒子710之間的碰撞為基本上鏡面的，則這種碰撞-其為壁705和流體715之間的能量轉移方式-將對流體715的整體流動具有最小的影響。換句話講，如果組分粒子710和壁705之間的碰撞使得組分粒子710的速度等可能地處於遠離壁705的任何方向中(即，非鏡面碰撞)，則多個這種碰撞將具有降低流體715流動的效果，這也將可能具有增加流體715在流入開口 730和中點740之間的區域中的內部溫度的效果。符合本發明的實施例的微溝槽 700被構造用於通過選擇性地避免該區域中的非鏡面碰撞的影響來增加冷卻效果。另外，由於微溝槽700的壁705被構造為在流入開口 730和中點740之間提供逐漸增大的橫截面，流體715通過所述橫截面產生流動，組分粒子710遠離壁705的鏡面散射將會把垂直於方向720的速度分量的一部分轉換成平行於方向720的分量。此外，由於微溝槽700被設計為小型的(即，在優選實施例中具有可低至大約 3e-llm"2/線性微米至6e-10nT2/線性微米的內部表面積)，則通過壁705提供的表面積相對微溝槽700中的流體715的給定體積的比率相對較大(即，其中由上述表面封閉的流體 115的體積為大約8e-17nT3/線性微米至3e-15nT3/線性微米)。由於通過壁705提供的相對流體715的體積的表面積為壁705和流體715之間的主要能量交換方式，因此這種方式使得流體715和微溝槽700之間的總能量交換相互作用達到最大。就中點740和流出開口 750之間的微溝槽700而言，流體715具有平行於方向720 的誘發流動(其可通過流入開口 730和中點740之間的壁705的冷卻效果而得到增加)。 因此，此區域內流體715中的組分粒子710在方向720上(相對於微溝槽700)相比在垂直於方向720的方向上將具有更大的速度分量。然而與流入開口 730和中點740之間的區域不同，微溝槽700的壁705被構造為提供逐漸減小的橫截面，在中點740和流出開口 750之間通過所述橫截面產生流動。因此在此區域中，組分粒子710遠離壁705的鏡面散射將會把平行於方向720的速度分量的一部分轉換成垂直於方向720的分量。流體715的這種從流動能量到內部動能的轉換將往往會增加流體715的溫度。這在流出開口 750附近將變得更加集中。因此，在該區域附近，微溝槽700被構造用於將與流體715在中點740處相關的流動能量(其包括與流入開口 730 和中點740之間的壁705的冷卻相關的能量中的一些)的較大部分轉換成流體715的內部動能。在這些情況下，可希望熱隔離微溝槽700的該部分。例如，可構造微溝槽700中鄰近流出開口的部分以使其不會將熱能傳遞至微溝槽700的其他部分。這種熱隔離區域在圖 7中示為區域755。另外，可構造熱電裝置770以便提取聚集在區域755中的熱能。熱電裝置770可為常規可得的任何這種裝置，例如(但不限於)可從Custom Thermoelectric商購獲得的部件1261G-7L31-04CQ。如果流體715中的組分粒子710為分子(並且(例如)如果流體715為氣體)，則某些振動態的組分粒子710可因溫度在流出開口 750附近獲得提高而使得粒子數增加。如果這些振動激發分子隨後穿過流出開口 750，則存在下述可能性，即這些振動激發分子將發射電磁輻射以便弛豫至較低的振動態。另外應當注意，微溝槽700可用於在穿過流出開口 750的這些振動激發分子群中產生振動態的粒子束反轉，從而可用於雷射用途中。圖8示出了符合本發明的另一個示例性實施例的視圖。符合本發明的實施例的微溝槽800被構造為使用圖5和圖6中所示的示例性實施例的線性組合。因此，與圖5和6中所示的實施例相關的論述以引用方式併入本文中。
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微溝槽800包括流入開口 830和流出開口 850。包含組分粒子810的流體815沿方向820流過微溝槽800。微溝槽800的壁805鄰近流動的流體815。與圖8相關的視圖為類似於圖5和6中提供的視圖的微溝槽800的橫截切面的視圖。可使用流入開口 830和流出開口 850之間的壓差促使通過流入開口 830進入微溝槽800的流體815流至流出開口 850，其中流體815在流入開口 830處的壓力高於流體815 在流出開口處的壓力。此外，壁805和組分粒子810被構造為使得組分粒子810和微溝槽 800內部的壁805之間的碰撞為基本上鏡面的。如果流體815在流入開口 830處的溫度為Tl，則組分粒子810 (在進入微溝槽800 之前)可表示為平均速度與溫度成比例的速度分布。如果流入開口的喉部較小(例如，0.01 μ πΓ2至500 μ πΓ2的任何值，其中流體為空氣，並且其中喉部沿流動方向的長度為大約500 μ m)，則穿過流入開口 830進入微溝槽800 的組分粒子810通常將具有下述速度，其平行於820方向的分量大於其垂直於方向820的分量。因此，流體815獲得主要平行於方向820的流動速度。與流體815沿方向820流動相關的動能得自流體815的內部熱能，所述流體在其進入流入開口 830之前處於T1下。能量守恆指示，由於流體815在T1下的初始熱能的一部分已轉換成流體815的流動動能，則流體815(流動速度固定的框架中)在區域845(如下文所述)之前的溫度(其將被指定為 T2)低於1\。如果T2還低於微溝槽800中位於流入開口 830和區域845之間的壁805的溫度(其被指定為Tw)，則流入開口 830和區域845之間的區域中的流體815將用於冷卻包括微溝槽800的材料。符合本發明的實施例的微溝槽800被構造用於以至少三種方式增加此溫度變化對流體815的影響。具體地講，如果壁805和組分粒子810被構造為使得壁805和組分粒子810之間的碰撞為基本上鏡面的，則這種碰撞-其為壁805和流體815之間的能量轉移方式-將對流體815的整體流動具有最小的影響。換句話講，如果組分粒子810和壁805 之間的碰撞使得組分粒子810的速度等可能地處於遠離壁805的任何方向中(即，非鏡面碰撞)，則多個這種碰撞將具有降低流體815流動的效果，這也將可能具有增加流體815在流入開口 830和區域845之間的區域中的內部溫度的效果。符合本發明的實施例的微溝槽 800被構造用於通過選擇性地避免該區域中的非鏡面碰撞的影響來增加冷卻效果。另外，由於流體815中的組分粒子810之間的平均自由程通常隨流入開口 830和區域845之間的長度而增加，因此據信組分粒子810遠離壁805的作為沿微溝槽800的長度的函數的變化的鏡面散射將也可能用於把垂直於方向820的速度分量的一部分轉換成平行於方向820的分量。此外，由於微溝槽800被設計為小型的(即，在優選實施例中具有可低至大約 6e-10m"2/線性微米的內部表面積)，則通過壁805提供的表面積相對微溝槽800中流體815的給定體積的比率相對較大(即，其中由上述表面積封閉的流體的體積大約為 3e-15m"3/線性微米)。由於通過壁805提供的相對流體815的體積的表面積為壁805和流體815之間的主要能量交換方式，因此這種方式使得流體815和微溝槽800之間的總能量交換相互作用達到最大。就位於鄰近850的區域845中的微溝槽800而言，流體815具有平行於方向820的誘發流動(其可通過流入開口 830和區域845之間的壁805的冷卻效果而得到增加)。因此，位於流入開口 830和區域845之間的區域內的流體815中的組分粒子810在方向820 上(相對於微溝槽800)相比在垂直於方向820的方向上將具有更大的速度分量。然而與流入開口 830和區域845之間的區域不同，微溝槽800的壁855被構造用於提供急劇下降的橫截面，在流出開口 850處通過所述橫截面產生流動。因此在區域845 中，組分粒子810遠離壁855的鏡面散射以及區域845中的組分粒子810之間的後續碰撞將會把平行於方向820的速度分量的一部分轉換成垂直於方向820的分量。流體815的這種從流動能量到內部動能的轉換將往往會增加流體815的溫度。在圖8中這被指定為發生於靠近流出開口 850的區域845中。因此，在區域845中，微溝槽800被構造用於將與流入開口 830和區域845之間的流體815相關的流動能量(其包括與流入開口 830和區域845 之間的壁805的冷卻相關的能量中的一些)的較大部分轉換成流體815的內部動能。在這些情況下，可希望熱隔離微溝槽800的該部分。例如，可構造微溝槽800中鄰近流出開口的部分以使其不會將熱能傳遞至微溝槽800的其他部分。這種熱隔離區域在圖8中示為區域855。另外，可構造熱電裝置770以便提取聚集在區域855中的熱能。 如上文所述，熱電裝置770可為常規可得的任何這種裝置，例如(但不限於)可從Custom Thermoelectric 商購獲得的部件 1261G-7L31-04CQo如果流體815中的組分粒子810為分子(並且(例如)其中流體815為氣體)，則某些振動態的組分粒子810可因溫度在流出開口 850附近獲得提高而使得粒子數增加。如果這些振動激發分子隨後穿過流出開口 850，則存在下述可能性，即這些振動激發分子將發射電磁輻射以便弛豫至較低的振動態。另外應當注意，微溝槽800可用於在穿過流出開口 850的這些振動激發分子群中產生振動態的粒子束反轉，從而可用於雷射用途中。圖9示出了符合本發明的另一個示例性實施例的視圖。符合本發明的實施例的微溝槽900被構造為使用圖7中所示的示例性實施例的線性組合。因此，與圖7中所示的實施例相關的論述以引用方式併入本文中。微溝槽900包括流入開口 930和流出開口 950。流體915沿方向920流過微溝槽 900。微溝槽900的壁905鄰近流動的流體915。與圖9相關的視圖為類似於圖7提供的視圖的微溝槽900的橫截切面的視圖。可使用流入開口 930和流出開口 950之間的壓差促使通過流入開口 930進入微溝槽900的流體915流至流出開口 950，其中流體915在流入開口 930處的壓力高於流體915 在流出開口處的壓力。此外，壁905和流體915中的組分粒子被構造為使得組分粒子和微溝槽900內部的壁905之間的碰撞為基本上鏡面的。與圖7中論述的實施例相同，可希望熱隔離微溝槽900中可被流體915加熱的那些部分。在圖9所示的實施例中，微溝槽900中鄰近區域965和流出開口 950的部分被構造為使得它們不會將熱能傳遞至微溝槽900的其他部分。這種熱隔離區域在圖9中示為區域 955。如前文所述，可構造熱電裝置770以便提取聚集在區域955中的熱能。熱電裝置770 可為常規可得的任何這種裝置，例如(但不限於)可從Custom Thermoelectric商購獲得的部件 1261G-7L31-04CQo另外，如前文所述，如果流體915中的組分粒子為分子(並且(例如)其中流體 915為氣體)，則某些振動態的組分粒子可因溫度在區域965和流出開口 950附近獲得提高
17而使得粒子數增加。如果這些振動激發分子隨後穿過區域965和流出開口 950，則存在下述可能性，即這些振動激發分子將發射電磁輻射以便弛豫至較低的振動態。可使用光電裝置975來利用因這種電磁發射產生的電磁能量。在光電裝置975附近，可將微溝槽900構造為透射所發出的輻射。圖10示出了符合本發明的另一個示例性實施例的視圖。符合本發明的實施例的微溝槽1000被構造為使用圖8中所示的示例性實施例的線性組合。因此，與圖8中所示的實施例相關的論述以引用方式併入本文中。微溝槽1000包括流入開口 1030和流出開口 1050。流體1015沿方向1020流過微溝槽1000。微溝槽1000的壁1005鄰近流動的流體1015。與圖10相關的視圖為類似於圖 8提供的視圖的微溝槽1000的橫截切面的視圖。可使用流入開口 1030和流出開口 1050之間的壓差促使通過流入開口 1030進入微溝槽1000的流體1015流至流出開口 1050，其中流體1015在流入開口 1030處的壓力高於流體1015在流出開口處的壓力。此外，壁1005和流體1015中的組分粒子被構造為使得組分粒子和微溝槽1000內部的壁1005之間的碰撞為基本上鏡面的。與圖8中論述的實施例相同，可希望熱隔離微溝槽1000中可被流體1015加熱的那些部分。在圖10所示的實施例中，微溝槽1000中鄰近區域1065和流出開口 1050的部分被構造為使得它們不會將熱能傳遞至微溝槽1000的其他部分。這種熱隔離區域在圖10中示為區域1055。如前文所述，可構造熱電裝置770以便提取聚集在區域1055中的熱能。熱電裝置770可為常規可得的任何這種裝置，例如(但不限於)可從Custom Thermoelectric 商購獲得的部件1261G-7L31-04CQ。另外，如前文所述，如果流體1015中的組分粒子為分子(並且(例如)其中流體 1015為氣體)，則某些振動態的組分粒子可因溫度在區域1065和流出開口 1050附近獲得提高而使得粒子數增加。如果這些振動激發分子隨後穿過區域1065和流出開口 1050，則存在下述可能性， 即這些振動激發分子將發射電磁輻射以便弛豫至較低的振動態。可使用光電裝置975來利用因這種電磁發射產生的電磁能量。在光電裝置975附近，可將微溝槽1000構造為透射所發出的輻射。圖11示出了符合本發明的另一個示例性實施例的視圖。符合本發明的實施例的微溝槽1100被構造為使用圖1中所示的示例性實施例的並聯組合。因此，與圖1中所示的實施例相關的論述以引用方式併入本文中。在圖11所示的實施例中，流體通過流入開口 1130進入並且通過流出開口 1150離開。圖12示出了符合本發明的另一個示例性實施例的視圖。符合本發明的實施例的微溝槽1200被構造為使用圖4中所示的示例性實施例的並聯組合。因此，與圖4中所示的實施例相關的論述以引用方式併入本文中。在圖12所示的實施例中，流體通過流入開口 1230進入並且通過流出開口 1250離開。圖13示出了符合本發明的另一個示例性實施例的視圖。符合本發明的實施例的微溝槽1300被構造為使用圖5中所示的示例性實施例的並聯組合。因此，與圖5中所示的實施例相關的論述以引用方式併入本文中。在圖13所示的實施例中，流體通過流入開口1330進入並且通過流出開口 1350離開。圖14示出了符合本發明的另一個示例性實施例的視圖。符合本發明的實施例的微溝槽1400被構造為使用圖6中所示的示例性實施例的並聯組合。因此，與圖6中所示的實施例相關的論述以引用方式併入本文中。在圖14所示的實施例中，流體通過流入開口 1430進入並且通過流出開口 1450離開。圖15示出了符合本發明的另一個示例性實施例的視圖。符合本發明的實施例的微溝槽1500被構造為使用圖7中所示的示例性實施例的並聯組合。因此，與圖7中所示的實施例相關的論述以引用方式併入本文中。在圖15所示的實施例中，微溝槽1500的部分可與其他部分為熱隔離的，所述部分在圖15中指定為區域1555。圖16示出了符合本發明的另一個示例性實施例的視圖。符合本發明的實施例的微溝槽1600被構造為使用圖8中所示的示例性實施例的並聯組合。因此，與圖8中所示的實施例相關的論述以引用方式併入本文中。在圖16所示的實施例中，微溝槽1600的部分可與其他部分為熱隔離的，所述部分在圖16中指定為區域1655。圖17示出了符合本發明的另一個示例性實施例的視圖。符合本發明的實施例的微溝槽1700被構造為使用圖9中所示的示例性實施例的並聯組合。因此，與圖9中所示的實施例相關的論述以引用方式併入本文中。在圖17所示的實施例中，微溝槽1700的部分可與其他部分為熱隔離的，所述部分在圖17中指定為區域1755。圖18示出了符合本發明的另一個示例性實施例的視圖。符合本發明的實施例的微溝槽1800被構造為使用圖10中所示的示例性實施例的並聯組合。因此，與圖10中所示的實施例相關的論述以引用方式併入本文中。在圖18所示的實施例中，微溝槽1800的部分可與其他部分為熱隔離的，所述部分在圖18中指定為區域1855。實驗結果概述已對符合本發明的裝置進行了測定。所述裝置為30X30X1毫米的MEMS裝置，其構造有100個平行的微溝槽。每個微溝槽包括具有喉部的流入開口，所述喉部狹窄至大約 10X10微米。喉部對源氣體(空氣)開放，並且具有小至限制氣體的質量流量的橫截面。喉部也為較短的(沿流動方向)以允許聲速氣流。流入開口和流出開口之間的距離為大約 30mm。所述裝置被構造為允許在從源氣體進入微溝槽的分子和微溝槽的壁之間具有大量的碰撞。每個溝槽中鄰近流動氣體的壁部分是由硬質、緻密、高熔點的材料製成的。在用於測定的所述裝置中，使用了鎢。利用MEMS製造方法來沉積鎢以便使得表面為大致光滑的。 當所述裝置的微溝槽壁包含鎢時，鎢下面的其餘材料(選擇以允許低耐熱性)包括銅。在用於測定的所述裝置中，微溝槽和壁是通過下述方式產生的。將鎢層濺射到設置在常規晶片(例如具有單面拋光的那些)上的矽層上。然後將光掩模施加至鎢層上以便形成包括一系列凸起溝槽的光致抗蝕劑層。每個凸起溝槽的尺寸對應於所需微溝槽的尺寸。然後利用濺射技術將鎢沉積到包括矽基底、鎢層、和光致抗蝕劑溝槽層的晶片上。然後將銅濺射到鎢層上，並且隨後將另一銅層電鍍到濺射銅層上。在將晶片切割成所需尺寸(在該情況下為 30X30平方毫米)之後，接下來利用丙酮超聲波浴移除光致抗蝕劑。在上文提供的工序中， 可使用銅基底而非矽基底以便改善所述裝置的導熱性。與本發明一致，選擇用於構造流入開口的喉部和微溝槽裝置的壁表面的幾何輪廓和材料，以便在空氣分子和相對光滑的鎢表面之間產生鏡面相互作用，並且將空氣的內部熱能和微溝槽的熱能的某些轉換成穿過微溝槽的空氣的流動速度。氣體分子和不同材料(如，金、銅、矽、鎢、鉛)的表面之間的碰撞已顯示為鏡面的。選擇圍繞微溝槽(即，測定裝置中的銅)的材料以便在環境空氣與微溝槽和喉部的表面之間提供良好的傳熱性。一般來講，理想材料將包括在大氣環境和低壓環境下均具有高導熱系統並且為所述裝置提供結構完整性的那些。現在應當理解，符合本發明的裝置的冷卻效率可取決於其上流動流體並且發生碰撞的表面的特性。例如，符合本發明的優選表面為相對光滑的表面，從而使得流體中的組分粒子和壁之間的碰撞可預期對流體中的組分粒子沿流動方向的內部速度具有最小的影響。 根據這種理解，微溝槽的壁相對流體中的入射組分粒子的碰撞越為「鏡面狀」，則熱能從微溝槽到流體的轉移也就越好，反之亦然。據信，微溝槽的壁的鏡面反射性可受其材料組成影響。例如，如果流體為氣體，則表明當微溝槽由具有高熔點的極硬材料(例如鎢或金剛石)構成時，會增加氣體-表面碰撞導致鏡面反射的程度。因此，當需要流體和微溝槽之間的高導熱率時，則表明可將具有高導熱率的材料用於微溝槽表面的壁下面的材料、以及任何周圍的結構。因此，據表明，將能量從環境提取到氣流中的速率與發生熱轉移表面碰撞的速率成比例。另外表明，可通過最大化暴露於流動氣體的表面積來增加微溝槽中的這種速率。因此，MEMS微溝槽本身提供高面積/流動體積比並且可利用現有製造方法製造出宏觀長度。此外，據表明，所述裝置的效率與流體和微溝槽壁之間的有效溫差成比例。當流體的初始動能的較大部分用於流體通過微溝槽的流動時，則流體的有效溫度較低。由於動能對速度的平方而變化，則表明這種溫差與流體通過溝槽的流速的平方成比例，換句話講，流速的線性增加導致每次碰撞提取的能量值高於線性增加。一種可用於在所述裝置輸入端實現流體的聲軸向速度的機制為將喉部設計為小孔或具有小孔狀的幾何形狀。通過小孔或高速噴嘴的喉部的流速在本領域中已知為聲速的，前提條件是微溝槽的高壓端和低壓端之間的壓力比保持在臨界值之下，該臨界值對空氣而言為0. 528。在室溫下，氣體分子(例如空氣)具有約500m/s的速度和與速度平方成比例的溫度(約300K)。當促使氣體在聲速或340m/s下流動時，則有效溫度(假定完全鏡面反射) 降至300K-300K*((340m/s*340m/s)/(500m/s*500m/s)) = 162K。從計算中顯而易見的是，聲速氣體提供足夠低的有效溫度以實現從處於空氣和室溫下的裝置的微溝槽壁提取能量。聲速流進入速度的另一個優點在於多種常規排代泵在這種壓力比下工作非常有效。然而由聲速流動提供的能量提取速率因分子間碰撞的持續過程和不對稱碰撞速率已被超越。碰撞過程不斷地將流體的隨機動能的一部分轉換成在微溝槽長度上沿流動方向的運動。儘管這種速度開始於聲速，但由於能量不斷地微溝槽表面轉移至碰撞的氣體分子且隨後轉移至流體沿微溝槽的速度中，這種速度會增加至超聲速。這種不斷的能量轉換過程顯著增加了通過每個氣體分子除去的能量。已計算出在3cm長的裝置中，利用低至4m/s的進入速度得到2000m/s的離開速度。通過每個分子從環境中提取的平均動能為氣體分子的初始動能水平的大約11倍。這種提取能量的數量為普通壓縮致冷系統中的平均蒸發致冷分子吸收的能量的大約3倍之多。最有效的能量提取裝置將在通過該裝置的所有路徑中提供高速率的分子間碰撞和持續不對稱的碰撞速率。實現這種條件組合的一種方法為使用發散微溝槽結構即，其中流動橫截面從微溝槽在其流入開口處的喉部到其在流出開口的出口之間增大的結構。溝槽橫截面的變化速率取決於氣體組成、沿微溝槽表面的傳熱速率、表面碰撞的鏡面程度、以及沿微溝槽長度的每一個點處的軸向流速。發散微溝槽幾何形狀的另一個益處為氣體密度在微溝槽表面的長度上逐漸降至越來越低的密度。降低的氣體密度會削弱邊界效應並且改善每次碰撞的能量轉移。沿微溝槽表面或裝置定片的邊界層衰減是通過工作裝置中的表面溫度的顯著降低來證明的。在沿裝置微溝槽上施加相同的1大氣壓壓降的條件下，得自室內空氣的證實能量提取以及裝置表面溫度的同量降低經計算為可由Joule-Thomson效應導致的降低的4，130 倍。在測定裝置中已得到證實的是，空氣分子在具有多個平行設置的30mm長的微溝槽的MEMS裝置中從4m/s加速至超過2，OOOm/s。空氣供給的溫度為四61(。平均分子的淨動能比其在沿微溝槽的30mm的路徑上的初始值增加11倍。可從加速分子中除去加速能量而無需所述裝置入口處的質量流量的任何淨減少。所熟知的是，氣體中發生的相干和非相干光發射伴有原子或分子的振動動能的量減少。必要條件是，氣體原子或分子在降低以實現光子發射之前應處於指定的振動能級下。 一種實現必要振動能級的方法為將原子或分子加速至足夠高的速度並且隨後使粒子進行碰撞。碰撞將原子平移動能的一些部分轉換成所需的高振動能態。平移模式中的能量的其餘部分允許原子繼續處於流動狀態，其中碰撞頻率為足夠低的以允許振動模式到達其弛豫點並且發射光子。在Maxwel 1-Boltzmarm分布中通常將C02雷射中的二氧化碳氣體升至 500K以便實現發射所需的高振動能要求。隨後允許氣體弛豫以產生發射所需的條件。能量提取裝置已證實具有將平均室內空氣分子從300K的溫度增加值超過4000K 的能力，上述溫度超過多種氣體種類實現發射所需的溫度。一種符合本發明的此類設計通過下述方式實現所需的平移和振動能級，即初始減小流動橫截面以便增加分子間的碰撞頻率並因而增加振動能量、隨後減小流動橫截面來降低分子間的碰撞頻率以允許量子弛豫從而導致隨後的光子發射。另外可通過熱電裝置獲取加速能量。相對表面法線具有小於45度的迎角的加速氣體分子已證實會增加表面溫度。可使用對這些受熱表面具有熱通路的熱電裝置來提取加速能量並將熱轉換為電。相似地，減小和增加流動橫截面可用於提供氣體的反應能量。流動氣體與微溝槽內的氣體和非氣體材料之間的化學反應可通過利用所述裝置加速氣體以及利用增加和減小橫截面積改變能量模式來實現。 足以用於光子發射和等離子體形成的能量也已得到證實。也可通過使用包括下述組分的氣體混合物來促進光子發射，所需組分的分子結構允許所需能級和波長的發射。
能量從微溝槽壁轉移至流體導致微溝槽壁和周圍材料的溫度降低。這種冷卻效果允許所述裝置用於致冷目的。已證實，當超聲流速的源氣體位於微溝槽內並且利用的室內空氣時，微溝槽氣流溫度恰好在100Κ之下。已證實能量提取裝置中的微溝槽內的高能流動會產生液體的快速蒸發以用於附加的冷卻效果。液體表面上的高速氣流提供大幅降低的垂直壓力，從而引起快速蒸發。利用流動加速的能量提取相比線性速率增加較大。而且，隨著將附加能量從環境提取到氣體中，氣流將繼續加速。氣流通過多個串聯連接的微溝槽陣列的加速已通過MEMS裝置得到證實。因此，可在下述距離上以聲速傳送氣體，所述距離未經受因摩擦導致的任何速度淨損失。這種構造將包括單個泵，所述泵具有在輸出端產生必要低壓環境和低流速的足夠容量，所述低流速等於微溝槽組入口處的小孔中的質量流速。相比現有技術而言，優點在於無需將附加泵置於所述組內以抵制摩擦損失。另外，可在沿微溝槽裝置長度方向的所有長度上獲取加速能量以用於轉換成電。用於從氣流中提取能量作為熱的表面可用作加熱與碰撞表面熱接觸的另一種氣體、液體或固體的方式。碰撞表面可被設計用於僅除去先前氣流加速的能量。剩餘的流動能量允許繼續以聲速或大於聲速流動。符合本發明的材料和組件，例如上述示例性裝置，為已鑑定出的所有問題提供解決方案。結合本說明書和本文所公開的本發明的實施，本發明的其他實施例對本領域的技術人員將顯而易見。應當設想到，本說明書和實例僅認為是示例性的，且本發明的真實範圍和精神由下述權利要求書指定。
權利要求
1.一種設備，包括微溝槽，所述微溝槽包括壁部分、流入開口、和流出開口 ；以及流體，所述流體包含組分粒子；其中所述微溝槽被構造用於適應所述流體沿第一方向從所述流入開口到所述流出開口的流動，所述第一方向基本上垂直於所述微溝槽的橫截面；並且其中所述壁部分和所述組分粒子被構造為使得所述組分粒子和所述壁部分之間的碰撞為基本上鏡面的。
2.根據權利要求1所述的設備，其中所述流體為氣體。
3.根據權利要求2所述的設備，其中所述氣體包括空氣。
4.根據權利要求1所述的設備，其中所述流入開口的橫截面小於所述流出開口的橫截
5.根據權利要求1所述的設備，其中所述粒子選自分子或原子中的至少一者。
6.根據權利要求1所述的設備，其中所述橫截面的至少一部分作為所述流入開口和所述流出開口之間沿所述第一方向的長度的函數變化。
7.根據權利要求6所述的設備，其中所述橫截面作為所述流入開口和所述流出開口之間沿所述第一方向的長度的函數的變化為基本上線性的和基本上遞增的。
8.根據權利要求6所述的設備，其中所述橫截面作為所述流入開口和所述流出開口之間沿所述第一方向的長度的函數的變化在鄰近所述流入開口的區域中為基本上急劇的、在鄰近所述流入開口的所述區域和所述流出開口之間為基本上恆定的，並且其中鄰近所述流入開口的所述區域和所述流出開口之間的所述橫截面大於鄰近所述流入開口的所述區域中的所述橫截面。
9.根據權利要求6所述的設備，其中所述橫截面作為所述流入開口和所述流出開口之間沿所述第一方向的長度的函數的變化為基本上線性的和基本上遞減的。
10.根據權利要求6所述的設備，其中所述橫截面作為所述流入開口和所述流出開口之間沿所述第一方向的長度的函數的變化在鄰近所述流出開口的區域中為基本上急劇的、 在鄰近所述流出開口的所述區域和所述流入開口之間為基本上恆定的，並且其中所述流入開口和所述流出開口之間的所述橫截面大於鄰近所述流出開口的所述區域中的所述橫截
11.根據權利要求7所述的設備，其中所述橫截面為基本上矩形的。
12.根據權利要求8所述的設備，其中所述橫截面為基本上矩形的。
13.根據權利要求9所述的設備，其中所述橫截面為基本上矩形的。
14.根據權利要求10所述的設備，其中所述橫截面為基本上矩形的。
15.根據權利要求7所述的設備，其中所述橫截面為基本上方形的。
16.根據權利要求8所述的設備，其中所述橫截面為基本上方形的。
17.根據權利要求9所述的設備，其中所述橫截面為基本上方形的。
18.根據權利要求10所述的設備，其中所述橫截面為基本上方形的。
19.根據權利要求7所述的設備，其中所述橫截面為基本上圓形的。
20.根據權利要求8所述的設備，其中所述橫截面為基本上圓形的。
21.根據權利要求9所述的設備，其中所述橫截面為基本上圓形的。
22.根據權利要求10所述的設備，其中所述橫截面為基本上圓形的。
23.根據權利要求7所述的設備，其中所述橫截面為基本上橢圓形的。
24.根據權利要求8所述的設備，其中所述橫截面為基本上橢圓形的。
25.根據權利要求9所述的設備，其中所述橫截面為基本上橢圓形的。
26.根據權利要求10所述的設備，其中所述橫截面為基本上橢圓形的。
27.根據權利要求6所述的設備，其中所述橫截面作為所述流入開口和所述流出開口之間沿所述第一方向的長度的函數的變化在第一區域中為基本上線性的和基本上遞增的並且在第二區域中為基本上線性的和基本上遞減的，其中所述第一區域鄰近所述流入開口並且所述第二區域鄰近所述流出開口。
28.根據權利要求6所述的設備，其中所述橫截面作為所述流入開口和所述流出開口之間沿所述第一方向的長度的函數的變化在鄰近所述流入開口的區域中為基本上急劇的、 在鄰近所述流出開口的區域中為基本上急劇的、並且在鄰近所述流入開口的所述區域和鄰近所述流出開口的所述區域之間為基本上恆定的，並且其中鄰近所述流入開口的所述區域和鄰近所述流出開口的所述區域之間的所述橫截面大於鄰近所述流入開口的所述區域中的所述橫截面。
29.根據權利要求27所述的設備，還包括鄰近所述流出開口的熱電裝置。
30.根據權利要求觀所述的設備，還包括鄰近所述流出開口的熱電裝置。
31.根據權利要求27所述的設備，還包括鄰近所述流出開口的光電裝置。
32.根據權利要求觀所述的設備，還包括鄰近所述流出開口的光電裝置。
33.根據權利要求1所述的設備，其中所述流體還包括所述流體中基本上處於第一壓力下的第一部分和所述流體中基本上處於低於所述第一壓力的第二壓力下的第二部分；並且其中所述流入開口與所述流體的所述第一部分流體連通，並且所述流出開口與所述流體的所述第二部分流體連通。
34.根據權利要求1所述的設備，其中所述壁部分包括利用濺射沉積的材料。
35.根據權利要求1所述的設備，其中所述壁部分包括具有高熔點的材料。
36.根據權利要求1所述的設備，其中所述壁部分包括具有高密度的材料。
37.根據權利要求1所述的設備，其中所述壁部分還包括塗層材料。
38.根據權利要求1所述的設備，其中所述壁部分包括利用濺射沉積到基底材料上的塗層材料，並且其中所述組分粒子和所述壁部分之間的基本上鏡面的碰撞包括所述組分粒子和所述塗層材料之間的基本上鏡面的碰撞。
39.根據權利要求38所述的設備，其中所述基底為銅。
40.根據權利要求39所述的設備，其中所述塗層材料為鎢。
41.根據權利要求1所述的設備，其中所述壁部分被製造成大致光滑的。
42.一種方法，包括提供包括壁部分的表面；提供包含組分粒子的流體；促使所述流體鄰近所述壁部分流動；構造所述壁部分和所述組分粒子中的至少一者以使得所述組分粒子和所述壁部分之間的碰撞為基本上鏡面的。
43.根據權利要求42所述的方法，其中 提供包括壁部分的表面的步驟包括提供包括所述表面、流入開口、和流出開口的微溝槽；並且促使所述流體鄰近所述壁部分流動的步驟包括促使所述流體從所述流入開口到所述流出開口沿基本上垂直於所述微溝槽的橫截面的第一方向流動以使得所述流體從所述流入開口流至所述流出開口包括所述流體鄰近所述壁部分流動。
44.根據權利要求43所述的方法，其中 提供包括壁部分的表面的步驟包括在第一時間提供第一溫度下的所述表面；並且其中使所述流體的一部分在處於所述第一時間和晚於所述第一時間的第二時間之間的時間段期間從所述流入開口流至所述流出開口 ；並且其中所述表面在所述第二時間具有低於所述第一溫度的第二溫度。
45.根據權利要求44所述的方法，其中位於所述流入開口處的所述流體部分處於第一流體溫度下並且位於所述流出開口處的所述流體部分處於第二流體溫度下，其中所述第二流體溫度高於所述第一流體溫度。
46.根據權利要求43所述的方法，其中促使所述流體從所述流入開口流至所述流出開口的步驟包括在所述流入開口和所述流出開口之間提供壓差。
47.根據權利要求45所述的方法，其中 所述組分粒子為具有一組振動態的分子；並且提供包含組分粒子的流體的步驟包括提供包含多個所述分子的所述流體的一部分；並且其中所述多個分子具有與所述第一流體溫度相關的第一振動態分布；並且所述多個分子具有與所述第二流體溫度相關的第二振動態分布。
48.根據權利要求42所述的方法，其中所述流體為氣體。
49.根據權利要求48所述的方法，其中所述氣體包括空氣。
50.根據權利要求43所述的方法，其中所述流入開口的橫截面小於所述流出開口的橫截面。
51.根據權利要求42所述的方法，其中所述粒子選自分子或原子中的至少一者。
52.根據權利要求43所述的方法，其中所述橫截面的至少一部分作為所述流入開口和所述流出開口之間沿所述第一方向的長度的函數變化。
53.根據權利要求52所述的方法，其中所述橫截面作為所述流入開口和所述流出開口之間沿所述第一方向的長度的函數的變化為基本上線性的和基本上遞增的。
54.根據權利要求52所述的方法，其中所述橫截面作為所述流入開口和所述流出開口之間沿所述第一方向的長度的函數的變化在鄰近所述流入開口的區域中為基本上急劇的、 在鄰近所述流入開口的所述區域和所述流出開口之間為基本上恆定的，並且其中鄰近所述流入開口的所述區域和所述流出開口之間的所述橫截面大於鄰近所述流入開口的所述區域中的所述橫截面。
55.根據權利要求52所述的方法，其中所述橫截面作為所述流入開口和所述流出開口之間沿所述第一方向的長度的函數的變化為基本上線性的和基本上遞減的。
56.根據權利要求52所述的方法，其中所述橫截面作為所述流入開口和所述流出開口之間沿所述第一方向的長度的函數的變化在鄰近所述流出開口的區域中為基本上急劇的、 在鄰近所述流出開口的所述區域和所述流入開口之間為基本上恆定的，並且其中所述流入開口和所述流出開口之間的所述橫截面大於鄰近所述流出開口的所述區域中的所述橫截
57.根據權利要求53所述的方法，其中所述橫截面為基本上矩形的。
58.根據權利要求M所述的方法，其中所述橫截面為基本上矩形的。
59.根據權利要求55所述的方法，其中所述橫截面為基本上矩形的。
60.根據權利要求56所述的方法，其中所述橫截面為基本上矩形的。
61.根據權利要求53所述的方法，其中所述橫截面為基本上方形的。
62.根據權利要求M所述的方法，其中所述橫截面為基本上方形的。
63.根據權利要求55所述的方法，其中所述橫截面為基本上方形的。
64.根據權利要求56所述的方法，其中所述橫截面為基本上方形的。
65.根據權利要求53所述的方法，其中所述橫截面為基本上圓形的。
66.根據權利要求M所述的方法，其中所述橫截面為基本上圓形的。
67.根據權利要求55所述的方法，其中所述橫截面為基本上圓形的。
68.根據權利要求56所述的方法，其中所述橫截面為基本上圓形的。
69.根據權利要求53所述的方法，其中所述橫截面為基本上橢圓形的。
70.根據權利要求M所述的方法，其中所述橫截面為基本上橢圓形的。
71.根據權利要求55所述的方法，其中所述橫截面為基本上橢圓形的。
72.根據權利要求56所述的方法，其中所述橫截面為基本上橢圓形的。
73.根據權利要求52所述的方法，其中所述橫截面作為所述流入開口和所述流出開口之間沿所述第一方向的長度的函數的變化在第一區域中為基本上線性的和基本上遞增的並且在第二區域中為基本上線性的和基本上遞減的，其中所述第一區域鄰近所述流入開口並且所述第二區域鄰近所述流出開口。
74.根據權利要求52所述的方法，其中所述橫截面作為所述流入開口和所述流出開口之間沿所述第一方向的長度的函數的變化在鄰近所述流入開口的區域中為基本上急劇的、 在鄰近所述流出開口的區域中為基本上急劇的、並且在鄰近所述流入開口的所述區域和鄰近所述流出開口的所述區域之間為基本上恆定的，並且其中鄰近所述流入開口的所述區域和鄰近所述流出開口的所述區域之間的所述橫截面大於鄰近所述流入開口的所述區域中的所述橫截面。
75.根據權利要求73所述的方法，還包括提供鄰近所述流出開口的熱電裝置。
76.根據權利要求74所述的方法，還包括提供鄰近所述流出開口的熱電裝置。
77.根據權利要求73所述的方法，還包括提供鄰近所述流出開口的光電裝置。
78.根據權利要求74所述的方法，還包括提供鄰近所述流出開口的光電裝置。
79.根據權利要求42所述的方法，其中提供包括壁部分的表面還包括利用濺射將材料沉積到所述表面上。
80.根據權利要求42所述的方法，其中所述壁部分包括具有高熔點的材料。
81.根據權利要求42所述的方法，其中所述壁部分包括具有高密度的材料。
82.根據權利要求42所述的方法，其中提供包括壁部分的表面還包括利用濺射將塗層材料沉積到所述表面上。
83.根據權利要求82所述的方法，其中所述表面為銅。
84.根據權利要求83所述的方法，其中所述塗層材料為鎢。
85.根據權利要求42所述的方法，其中所述壁部分被製造成大致光滑的。
全文摘要
符合本發明的材料、組件、和方法涉及具有流體的微尺度溝槽的製造和使用，其中所述流體的溫度和流動至少部分地通過所述微尺度溝槽的幾何形狀和所述微尺度溝槽的壁的至少一部分的構型以及構成所述流體的組分粒子來控制。此外，所述微尺度溝槽的壁和所述組分粒子被構造為使得所述組分粒子和所述壁之間的碰撞為基本上鏡面的。
文檔編號B81B1/00GK102227371SQ200980147393
公開日2011年10月26日 申請日期2009年9月30日 優先權日2008年9月30日
發明者斯科特·戴維斯 申請人:福斯德物理學有限責任公司