Способ и устройство для регулирования температуры и расхода текучей среды

Способ и устройство для регулирования температуры и расхода текучей среды

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники

Материалы, компоненты и способы согласно данному изобретению направлены на изготовление и использование микромасштабных каналов, содержащих текучую среду, причем температура и расход этой текучей среды по крайней мере частично определяется геометрическими размерами канала и конфигурацией по крайней мере участка стенки этого канала, а также потока составных частиц, из которых состоит эта текучая среда.

Уровень техники

Объем такой текучей среды, как воздух можно характеризовать температурой и давлением. Если считать ее накоплением составных частиц, представляющих собой, например, молекулы кислорода и азота, то объем текучей среды при определенной температуре можно также характеризовать как распределение скоростей составных частиц. Это распределение обычно можно характеризовать средней скоростью, которая, понятно, связана с температурой текучей среды (такой как газ).

Соответственно, внутренняя тепловая энергия текучей среды служит источником энергии при использовании ее для нагревания, охлаждения и образования потока текучей среды. Один из способов использования внутренней тепловой энергии такой текучей среды, как газ был описан в патентах США №7008176 и 6932564, полностью включенных в эту заявку путем ссылки.

Если устройство для использования внутренней тепловой энергии такой текучей среды, как газ действует, отбирая составные частицы текучей среды с помощью движущихся частей, чтобы выбрать направление или скорость перемещения частиц, имеется потребность в способе и устройстве, которые могли бы регулировать расход и температуру текучей среды, но не с помощью подобных движущихся частей.

Соответственно, первой целью данного изобретения является создание систем и способов, которые извлекают пользу от охлаждения, нагревания и/или регулирования расхода текучей среды, но принцип действия которых не основан на использовании движущихся частей.

Добиться этого удалось путем изготовления и использования систем, содержащих один или несколько микромасштабных каналов («микроканалов»), имеющих такую конфигурацию, чтобы вмещать поток текучей среды, причем стенки микроканала и составные частицы текучей среды имеют такую конфигурацию, чтобы столкновения между составными частицами и стенками микроканала сопровождались преимущественно зеркальным отскоком.

Раскрытие изобретения

Типичный микроканал согласно данному изобретению образован впускным отверстием и выпускным отверстием, которые связаны друг с другом протоком.

Используемый здесь термин «поперечное сечение» микроканала относится к характеристической площади микроканала в плоскости, которая проходит преимущественно перпендикулярно направлению, в котором перемещается общий поток текучей среды по микроканалу.

Используемый здесь термин «горловина» микроканала относится к тому участку микроканала, который проявляет локальный минимум поперечного сечения. Следует учитывать, что может быть несколько горловин, связанных с одним микроканалом.

В одном варианте осуществления настоящего изобретения впускное отверстие микроканала имеет конфигурацию, представляющую его горловину, и стенки микроканала имеют конфигурацию для образования микроканала с поперечным сечением, в целом постепенно увеличивающимся в направлении перемещения текучей среды. В таком показательном варианте осуществления (когда текучей средой является, например, воздух) впускное отверстие имеет преимущественно размер 100 мкм² и может где-нибудь иметь размер в диапазоне 0,01 - 500 мкм². Кроме того, выпускное отверстие имеет преимущественно размер 3000 мкм² и может где-нибудь иметь размер в диапазоне 0,1 - 50.000 мкм². Длина стенок микроканала (т.е. линейное расстояние между впускным отверстием и выпускным отверстием микроканала) преимущественно составляет 30 мм и может где-нибудь иметь размер в диапазоне 0,01 мм - 10 м. В ином варианте осуществления настоящего изобретения размеры впускного отверстия и выпускного отверстия (и изменение размера поперечного сечения в зависимости от длины) могут быть обратными по отношению к указанным выше значениям. Например, впускное отверстие имеет преимущественно размер 3000 мкм² и может где-нибудь иметь размер в диапазоне 0,1 - 50.000 мкм², а выпускное отверстие имеет преимущественно размер 100 мкм² и может где-нибудь иметь размер в диапазоне 0,01 - 500 мкм².

В другом варианте осуществления настоящего изобретения впускное отверстие микроканала имеет конфигурацию, представляющую его горловину, и стенки микроканала имеют конфигурацию, образующую микроканал с поперечным сечением, резко возрастающим возле горловины и остающимся почти постоянным на остальном участке перемещения текучей среды. В таком показательном варианте осуществления (когда текучей средой является, например, воздух) впускное отверстие имеет преимущественно размер 100 мкм² и может где-нибудь иметь размер в диапазоне 0,01 - 500 мкм². Примерное расстояние от такого впускного отверстия до расширения в более крупное отверстие почти постоянного размера может составлять около 500 мкм. Кроме того, выпускное отверстие имеет преимущественно размер 3000 мкм² и может где-нибудь иметь размер в диапазоне 0,1 - 50.000 мкм². Длина стенок микроканала (т.е. линейное расстояние между впускным отверстием и выпускным отверстием микроканала) преимущественно составляет 30 мм и может где-нибудь иметь размер в диапазоне 0,01 мм - 50 м. В другом варианте осуществления настоящего изобретения размеры впускного отверстия и выпускного отверстия (и изменение размера поперечного сечения в зависимости от длины) могут быть обратными по отношению к указанным выше значениям. Например, впускное отверстие имеет преимущественно размер 3000 мкм² и может где-нибудь иметь размер в диапазоне 0,1 - 50.000 мкм², а выпускное отверстие имеет преимущественно размер 100 мкм² и может где-нибудь иметь размер в диапазоне 0,01 - 500 мкм².

В другом варианте осуществления настоящего изобретения как впускное отверстие, так и выпускное отверстие микроканала имеют такую конфигурацию, чтобы образовывать его горловину (т.е. проявляют локальную минимальность поперечного сечения), и стенки микроканала имеют такую конфигурацию, чтобы образовать микроканал с поперечным сечением, в целом постепенно увеличивающимся в направлении перемещения текучей среды до максимальной точки - преимущественно на полпути между впускным отверстием и выпускным отверстием - и затем постепенно уменьшающимся в направлении перемещения текучей среды до локально минимальной точки в выпускном отверстии. В таком показательном варианте осуществления (когда текучей средой является, например, воздух) впускное отверстие и выпускное отверстие имеют преимущественно размер 100 мкм² и могут где-нибудь иметь размер в диапазоне 0,01 - 500 мкм². Максимальное поперечное сечение между впускным отверстием и выпускным отверстием имеет преимущественно размер 3000 мкм² и может где-нибудь иметь размер в диапазоне 0,1 - 50.000 мкм². Длина стенок микроканала (т.е. линейное расстояние между впускным отверстием и выпускным отверстием микроканала) преимущественно составляет 30 мм и может где-нибудь иметь размер в диапазоне 0,02 мм - 100 м.

Еще в одном варианте осуществления настоящего изобретения и впускное отверстие, и выпускное отверстие микроканала имеют такую конфигурацию, чтобы образовывать его горловины, и стенки микроканала имеют такую конфигурацию, чтобы образовать микроканал с поперечным сечением, резко возрастающим возле горловины во впускном отверстии, остающимся почти постоянным вдоль направления перемещения текучей среды, а затем резко уменьшающимся возле горловины в выпускном отверстии. В таком показательном варианте осуществления (когда текучей средой является, например, воздух) впускное отверстие и выпускное отверстие имеют преимущественно размер 100 мкм² и могут где-нибудь иметь размер в диапазоне 0,01 - 500 мкм². Максимальное поперечное сечение между впускным отверстием и выпускным отверстием имеет преимущественно размер 3000 мкм² и может где-нибудь иметь размер в диапазоне 0,1 - 50.000 мкм². Длина стенок микроканала (т.е. линейное расстояние между впускным отверстием и выпускным отверстием микроканала) преимущественно составляет 30 мм и может где-нибудь иметь размер в диапазоне 0,02 мм - 100 м. Типичная длина таких входного отверстия и выходного отверстия (до их расширения до большего поперечного сечения, остающегося почти постоянным) может составлять примерно 500 мкм.

В другом варианте осуществления настоящего изобретения любой из сегментов микроканала, описанного выше, (первый сегмент микроканала) может иметь такую конфигурацию, чтобы он был связан протоком с другим сегментом микроканала (вторым сегментом микроканала), причем конфигурация выпускного отверстия первого сегмента микроканала такова, что оно было непосредственно связано протоком с входным отверстием второго сегмента микроканала. Кроме того, первый сегмент микроканала и второй сегмент микроканала могут иметь такую конфигурацию, чтобы в их поперечных сечениях наблюдалась сходная или почти сходная зависимость формы и размеров стенок от длины микроканала и сходные или почти сходные размеры горловин.

Еще в одном варианте осуществления настоящего изобретения любой из сегментов микроканала, описанного выше, (первый сегмент микроканала) может иметь такую конфигурацию, представляющую собой микроканал, который проходит почти параллельно другому сегменту микроканала (второму сегменту микроканала), причем конфигурация впускных отверстий первого сегмента микроканала и второго сегмента микроканала такова, что они связаны друг с другом протоком, и выпускные отверстия первого сегмента микроканала и второго сегмента микроканала связаны друг с другом протоком. Кроме того, первый сегмент микроканала и второй сегмент микроканала могут иметь такую конфигурацию, чтобы в их поперечных сечениях наблюдалась сходная или почти сходная зависимость формы и размеров стенок от длины микроканала и сходные или почти сходные размеры горловин.

Помимо того, при регулировании расхода и температуры в объеме такой текучей среды, которая состоит из молекул, возможно заселение молекулярно-колебательных уровней в результате усиленного нагревания объема текучей среды. Если разрешена релаксация таких колебательно-возбужденных молекул, то способы и системы согласно настоящему изобретению пригодны для создания и регулирования электромагнитного излучения, образующегося при релаксации.

Далее регулирование расхода и температуры в объеме текучей среды пригодно для множества практических применений, включая нагревание и охлаждение, замораживание, генерирование электроэнергии, излучение когерентного и некогерентного света, накачивание газа, генерирование плазменного излучения и пучка частиц, ускорение пучка частиц, проведение химических процессов.

Дополнительные цели и преимущества данного изобретения будут частично изложены в последующем описании, а частично будут очевидны из этого описания или же могут выявиться при практическом использовании данного изобретения. Цели данного изобретения будут достигнуты, а его преимущества реализованы путем использования элементов и их сочетаний, указанных конкретно в прилагаемой формуле изобретения.

Понятно, что и предшествующее общее описание, и последующее подробное описание являются лишь показательными и пояснительными и не ограничивают объем изобретения, изложенный в его формуле.

Приведенные чертежи, которые являются неотъемлемой частью этого описания, наглядно изображают варианты осуществления этого изобретения и вместе с описанием помогают понять принципы данного изобретения.

Краткое описание графических материалов

На фиг.1 приведено поперечное сечение варианта осуществления данного изобретения.

На фиг.2 приведено альтернативное изображение трех поперечных сечений для вариантов осуществления настоящего изобретения, изображенных, например, на фиг.1, 4, 5 и 6.

На фиг.3 приведено пояснительное изображение столкновения, сопровождающегося зеркальным отскоком, согласно данному изобретению.

На фиг.4 приведен вариант осуществления микроканала согласно данному изобретению.

На фиг.5 приведен другой вариант осуществления микроканала согласно данному изобретению.

На фиг.6 приведен еще один вариант осуществления данного изобретения.

На фиг.7 приведен вариант осуществления данного изобретения с последовательным расположением конфигураций, использованных в вариантах осуществления, показанных на фиг.1 и 4.

На фиг.8 приведен вариант осуществления данного изобретения с последовательным расположением конфигураций, использованных в вариантах осуществления, показанных на фиг.5 и 6.

На фиг.9 приведен вариант осуществления данного изобретения с последовательным расположением конфигураций, использованных в варианте осуществления, показанном на фиг.7.

На фиг.10 приведен вариант осуществления данного изобретения с последовательным расположением конфигураций, использованных в варианте осуществления, показанном на фиг.8.

На фиг.11 приведен вариант осуществления данного изобретения с параллельным расположением конфигураций, использованных в варианте осуществления, показанном на фиг.1.

На фиг.12 приведен вариант осуществления данного изобретения с параллельным расположением конфигураций, использованных в варианте осуществления, показанном на фиг.4

На фиг.13 приведен вариант осуществления данного изобретения с параллельным расположением конфигураций, использованных в варианте осуществления, показанном на фиг.5.

На фиг.14 приведен вариант осуществления данного изобретения с параллельным расположением конфигураций, использованных в варианте осуществления, показанном на фиг.6.

На фиг.15 приведен вариант осуществления данного изобретения с параллельным расположением конфигураций, использованных в варианте осуществления, показанном на фиг.7.

На фиг.16 приведен вариант осуществления данного изобретения с параллельным расположением конфигураций, использованных в варианте осуществления, показанном на фиг.8.

На фиг.17 приведен вариант осуществления данного изобретения с параллельным расположением конфигураций, использованных в варианте осуществления, показанном на фиг.9.

На фиг.18 приведен вариант осуществления данного изобретения с параллельным расположением конфигураций, использованных в варианте осуществления, показанном на фиг.10.

Осуществление изобретения

Здесь будет приведено подробное описание представленных (пояснительных) вариантов осуществления, особенности которых показаны на прилагаемых чертежах. По возможности на всех чертежах будут использованы одни и те же условные обозначения для одних и тех же или сходных частей.

На фиг.1 изображен показательный вариант осуществления данного изобретения. Микроканал 100 содержит впускное отверстие 130 и выпускное отверстие 150. Текучая среда 115, состоящая из составных частиц 110, протекает по микроканалу 100 в направлении 120. Стенка 105 микроканала 100 прилегает к потоку текучей среды 115. Изображение, соотнесенное с фиг.1, представляет собой поперечный срез микроканала 100 согласно данному изобретению. Другие показательные поперечные сечения микроканала 100 согласно данному изобретению изображены на фиг.2, причем они представляют собой поперечные срезы, соответствующие срезу 135 (показанному на фиг.1). Так, например, поперечное сечение впускного отверстия 130, т.е. участка 140, и выпускного отверстия 150 может иметь квадратную форму 101, круглую форму 102, прямоугольную форму 103 или какую-либо иную форму ограниченной двухмерной фигуры.

Как показано на фиг.1, перемещение текучей среды 115 по микроканалу 100 в направлении 120 может происходить за счет разности давлений между впускным отверстием 130 и выпускным отверстием 150. Кроме того, стенка 105 и поток составных частиц 110 имеют такую конфигурацию, что столкновения между составными частицами 110 и стенкой 105, которые происходят внутри микроканала 100 (во внутренней его области, которая обычно представляет собой область 140), преимущественно сопровождаются зеркальным отскоком. Столкновения с зеркальным отскоком изображены более детально в виде схемы на фиг.3.

На фиг.3 изображена в увеличенном виде часть фиг.1. А именно, стрелка 325 показывает компоненту скорости составной частицы 110 перед тем, как составная частица 110 столкнется со стенкой 105. Нормаль 305 представляет собой ось, которая перпендикулярна плоскости, определяемой стенкой 105. Стрелка 335 показывает компоненту скорости составной частицы 110 после того, как составная частица 110 столкнулась со стенкой 105. Столкновение с зеркальным отскоком между составной частицей 110 и стенкой 105 означает здесь такое столкновение, при котором компонента скорости составной частицы 110, параллельная плоскости стенки 105, является почти одной и той же до и после столкновения. Кроме того, во время столкновения с зеркальным отскоком скорость составной частицы 110, соотнесенная с компонентой скорости, перпендикулярной плоскости стенки 105, может быть почти одной и той же до и после столкновения. Сведущий в данной области специалист должен понимать, что термин «столкновение с зеркальным отскоком» не используется здесь в значении одного лишь упругого столкновения. Поскольку будет происходить (усредненный) перенос энергии между стенкой 105 микроканала и множеством составных частиц 110, вполне понятно, что какое-либо одно столкновение с зеркальным отскоком между составной частицей 110 и стенкой 105 может или увеличивать, или уменьшать кинетическую энергию составной частицы 110 по сравнению с кинетической энергией, которой она обладала до столкновения. Так, например, если происходит перенос энергии от стенки 105 к составной частице 110, тогда следует ожидать, что острый угол между составной частицей 110 и плоскостью, параллельной стенке 105, после столкновения будет больше, чем до столкновения. Таким же образом, если происходит перенос энергии от составной частицы 110 к стенке 105, тогда следует ожидать, что острый угол между составной частицей 110 и плоскостью, параллельной стенке 105, после столкновения будет меньше, чем до столкновения. Кроме того, если температура текучей среды, представляющей собой множество составных частиц, отличается от температуры стенки, то следует ожидать, что будет происходить перенос внутренней энергии или от текучей среды к стенке, или от стенки к текучей среде (в зависимости от того, где температура выше). Когда столкновения между множеством составных частиц 110 и стенкой 105 происходят преимущественно с зеркальным отскоком в том понимании, которое здесь используется, то следует ожидать, что перенос энергии от текучей среды 115 к стенке 105 или от стенки 105 к текучей среде 115 будет происходить преимущественно путем среднего изменения скорости составных частиц 110, соотнесенного с изменением их компоненты скорости, перпендикулярной плоскости стенки 105 во время столкновения. Следует также учитывать, что такое изменение компоненты скорости составных частиц 110 во время столкновения приведет к изменению общей скорости составных частиц 110 в результате протекания процесса столкновения.

На фиг.1 текучая среда 115, которая поступает в микроканал 100 через впускное отверстие 130, может перемещаться к выпускному отверстию 150 под действием разности давления между впускным отверстием 130 и выпускным отверстием 150, если давление текучей среды 115 во впускном отверстии 130 больше давления текучей среды 115 в выпускном отверстии. Если температура текучей среды 115 во впускном отверстии 130 составляет T₁, тогда составные частицы 110 (до поступления в область 140) можно представить в виде распределения скоростей, среднее значение которых пропорционально температуре.

Если горловина впускного отверстия мала (например, составляет от 0,01 мкм² до 500 мкм², когда текучей средой является воздух), то составная частица 110, поступающая через впускное отверстие 130 в область 140, обычно имеет такую скорость, что ее компонента, параллельная направлению 120, больше компоненты, перпендикулярной направлению 120. Следовательно, текучая среда 115 приобретает скорость течения, которая преимущественно параллельна направлению 120. Кинетическая энергия, которая соотносится с перемещением текучей среды 115 в направлении 120, покрывается за счет внутренней тепловой энергии текучей среды 115, которой она обладала при температуре T₁ перед поступлением во впускное отверстие 130. Поскольку часть содержавшейся в текучей среде 115 при температуре T₁ тепловой энергии превратилась в кинетическую энергию потока текучей среды 115, для сохранения энергии требуется, чтобы температура текучей среды 115, которую мы обозначим через Т₂, в области 140 была ниже температуры T₁ (при условии, что она не меняется в зависимости от скорости течения). Если температура T₂ меньше и температуры (которую мы обозначим через T_w) стенки 105 микроканала 100, тогда текучая среда 115 в области 140 будет охлаждать материал, в котором образован микроканал 100.

Микроканал 100 согласно варианту осуществления настоящего изобретения имеет такую конфигурацию, чтобы усиливать воздействие, которое оказывает это изменение температуры на текучую среду 115, тремя путями. В частности, когда стенка 105 и составные частицы 110 имеют такую конфигурацию, что столкновения между стенкой 105 и составными частицами 110 происходят преимущественно с зеркальным отскоком, то такие столкновения - которые являются средством переноса энергии между стенкой 105 и текучей средой 115 - будут оказывать минимальное воздействие на общий поток текучей среды 115. Иначе говоря, когда столкновение между составной частицей 110 и стенкой 105 происходит так, что скорость составной частицы 110 равновероятна в любом направлении от стенки 105 (т.е. наблюдается столкновение без зеркального отскока), тогда множество подобных столкновений будет оказывать замедляющее действие на поток текучей среды 115, которое будет сопровождаться, вероятно, увеличением внутренней температуры текучей среды 115 в области 140. Микроканал 100 согласно варианту осуществления данного изобретения имеет такую конфигурацию, чтобы усиливать эффект охлаждения, избирательно устраняя воздействие столкновений без зеркального отскока.

Кроме того, поскольку стенка 105 микроканала 100 имеет такую конфигурацию, что площадь поперечного сечения, через которое перемещается текучая среда 115, обычно возрастает, зеркальное рассеяние составных частиц 110 на стенке 105 будет превращать часть компоненты скорости, которая была перпендикулярна направлению 120, в компоненту, параллельную направлению 120.

Более того, микроканал 100 конструктивно мал (т.е. имеет площадь внутренней поверхности, которая в предпочтительном варианте осуществления составляет от 3^-11 м² на линейный микрон до 6^-10 м² на линейный микрон), поэтому отношение площади поверхности, которой стенка 105 обращена к заданному объему текучей среды 115 в области 140, сравнительно велико (а именно, когда объем текучей среды 115, окруженный стенкой с указанной выше площадью поверхности, составляет примерно от 8^-17 м³ на линейный микрон до 3^-15 м³ на линейный микрон). Поскольку поверхность, обращенная стенкой 105 к объему текучей среды 115, является основным местом энергообмена между стенкой 105 и текучей средой 115, это приводит к максимальному увеличению общего энергообмена между текучей средой 115 и микроканалом 100.

На фиг.4 показан другой показательный вариант осуществления данного изобретения. Микроканал 400 содержит впускное отверстие 430 и выпускное отверстие 450. Текучая среда 415, состоящая из составных частиц 410, перемещается по микроканалу 400 в направлении 420. Стенка 405 микроканала 400 прилегает к потоку текучей среды 415. Изображение, соотнесенное с фиг.4, представляет собой поперечный срез микроканала 400 согласно данному изобретению. Как было указано выше в отношении микроканала 100, другие показательные поперечные сечения микроканала 400 согласно данному изобретению изображены на фиг.2, причем они представляют собой поперечные срезы, соответствующие срезу 135 (в этом варианте показанному на фиг.4). Так, например, поперечное сечение впускного отверстия 430, т.е. участка 440, и выпускного отверстия 450 может иметь квадратную форму 101, круглую форму 102, прямоугольную форму 103 или какую-либо иную форму ограниченной двухмерной фигуры.

Как показано на фиг.4, перемещение текучей среды 415 по микроканалу 400 в направлении 420 может происходить за счет разности давлений между впускным отверстием 430 и выпускным отверстием 450. Кроме того, стенка 405 и поток составных частиц 410 имеют такую конфигурацию, что столкновения между составными частицами 410 и стенкой 405, которые происходят внутри микроканала 400 (во внутренней его области, которая обычно представляет собой область 440), преимущественно сопровождаются зеркальным отскоком.

Текучая среда 415, которая входит в микроканал 400 через впускное отверстие 430, может перемещаться к выпускному отверстию 450, например, за счет воздействия, оказываемого на текучую среду 415 во впускном отверстии 430, чтобы создавать поток в направлении 420 в сторону выпускного отверстия 450 (когда, например, давление текучей среды 415 во впускном отверстии 430 больше, чем давление текучей среды 415 в выпускном отверстии). Если температура текучей среды 415 во впускном отверстии 430 составляет T₁, тогда составные частицы 410 (до поступления в область 440) можно представить в виде распределения скоростей, среднее значение которых пропорционально температуре.

В варианте осуществления, показанном на фиг.4, текучая среда 415 подвергается перемещению параллельно направлению 420. Следовательно, составные частицы 410 в текучей среде 415 будут больше проявлять компоненту скорости в направлении 420 (относительно микроканала 400), чем в направлениях, перпендикулярных направлению 420.

Но в отличие от микроканала 100 стенка 405 микроканала 400 имеет такую конфигурацию, когда площадь поперечного сечения, через которое движется поток, постепенно уменьшается. В этом случае, соответственно, рассеяние с зеркальным отскоком составных частиц 410 от стенки 405 будет превращать часть компоненты скорости, которая была параллельна направлению 420, в компоненту, перпендикулярную направлению 420. Такое превращение энергии потока во внутреннюю кинетическую энергию текучей среды 415 приведет к увеличению температуры текучей среды 415. Это увеличение станет более заметным возле выпускного отверстия 450. Возле этой области, соответственно, микроканал 400 имеет такую конфигурацию, чтобы энергия потока, соотнесенная с текучей средой 415 во впускном отверстии 430, была в большей степени превращена во внутреннюю кинетическую энергию текучей среды 415.

При подобных обстоятельствах может потребоваться обеспечить теплоизоляцию этого участка микроканала 400. Так, например, можно придать участку микроканала 400, прилегающему к выпускному отверстию, такую конфигурацию, чтобы он не передавал тепловую энергию на другие участки микроканала 400. Этот теплоизолированный участок показан на фиг.4 под номером 455.

Помимо того, если составные частицы 410 текучей среды 415 представляют собой молекулы (и, например, если текучая среда 415 представляет собой газ), тогда определенные колебательные состояния составных частиц 410 могут быть заселены в результате увеличения температуры, обеспечиваемого возле выпускного отверстия 450.

Когда такие колебательно-возбужденные молекулы проходят затем через выпускное отверстие 450, то будут испускать, вероятно, электромагнитное излучение, чтобы перейти в более низкое колебательное состояние. Следует также отметить, что микроканал 400 можно использовать для создания среди совокупности подобных колебательно-возбужденных молекул, проходящих через выпускное отверстие 450, такой инверсии заселенности в колебательных состояниях, которая пригодна для лазерной генерации.

На фиг.5 показан другой вариант осуществления данного изобретения. Микроканал 500 содержит впускное отверстие 530 и выпускное отверстие 550. Текучая среда 515, состоящая из составных частиц 510, перемещается по микроканалу 500 в направлении 520. Стенка 505 микроканала 500 прилегает к потоку текучей среды 515. Изображение, соотнесенное с фиг.5, представляет собой поперечный срез микроканала 500 согласно данному изобретению. Другие показательные поперечные сечения микроканала 500 согласно данному изобретению изображены на фиг.2, причем они представляют собой поперечные срезы, соответствующие срезу 135 (показанному на фиг.5). Так, например, поперечное сечение впускного отверстия 530 и выпускного отверстия 550 может иметь квадратную форму 101, круглую форму 102, прямоугольную форму 103 или какую-либо иную форму ограниченной двухмерной фигуры.

Перемещение текучей среды 515 по микроканалу 500 в направлении 520 может происходить за счет разности давлений между впускным отверстием 530 и выпускным отверстием 550. Кроме того, стенка 505 и составные частицы 510 имеют такую конфигурацию, что столкновения между составными частицами 510 и стенкой 505, которые происходят внутри микроканала 500, преимущественно сопровождаются зеркальным отскоком.

Текучая среда 515, которая входит в микроканал 500 через впускное отверстие 530, может перемещаться к выпускному отверстию 550 за счет разности давлений между впускным отверстием 530 и выпускным отверстием 550, когда давление текучей среды 515 во впускном отверстии 530 больше, чем давление текучей среды 515 в выпускном отверстии. Если температура текучей среды 515 во входном отверстии 530 составляет T₁, тогда составные частицы 510 (до поступления' в микроканал 500) можно представить в виде распределения скоростей, среднее значение которых пропорционально температуре.

Если горловина впускного отверстия мала (например, составляет от 0,01 мкм² до 500 мкм², когда текучей средой является воздух, а длина горловины в направления течения составляет около 500 мкм), то составная частица 510, поступающая через впускное отверстие 530 в микроканал 500, обычно имеет такую скорость, что ее компонента, параллельная направлению 520, больше компоненты, перпендикулярной направлению 520. Следовательно, текучая среда 515 приобретает скорость течения, которая преимущественно параллельна направлению 520. Кинетическая энергия, которая соотнесена с перемещением текучей среды 515 в направлении 520, покрывается за счет внутренней тепловой энергии текучей среды 515, которой она обладала при температуре T₁ перед поступлением во впускное отверстие 530. Поскольку часть содержавшейся в текучей среде 515 при температуре T₁ тепловой энергии превратилась в кинетическую энергию потока текучей среды 515, для сохранения энергии требуется, чтобы температура текучей среды 515, которую мы обозначим через Т₂, в области 540 была ниже температуры T₁ (при условии, что она не меняется в зависимости от скорости течения). Если температура Т₂ меньше и температуры (которую мы обозначим через T_w) стенки 505 микроканала 500, тогда текучая среда 515 в микроканале 500 будет охлаждать материал, в котором образован микроканал 500.

Микроканал 500 согласно варианту осуществления настоящего изобретения имеет также такую конфигурацию, чтобы усиливать воздействие, которое оказывает это изменение температуры на текучую среду 515, тремя путями. В частности, когда стенка 505 и составные частицы 510 имеют такую конфигурацию, что столкновения между стенкой 505 и составными частицами 510 происходят преимущественно с зеркальным отскоком, то такие столкновения - которые являются средством переноса энергии между стенкой 505 и текучей средой 515 - будут оказывать минимальное воздействие на общий поток текучей среды 515. Иначе говоря, когда столкновение между составной частицей 510 и стенкой 505 происходит так, что скорость составной частицы 510 равновероятна в любом направлении от стенки 505 (т.е. наблюдается столкновение без зеркального отскока), тогда множество подобных столкновений будет оказывать замедляющее действие на поток текучей среды 515, которое будет сопровождаться, вероятно, увеличением внутренней температуры текучей среды 515 в области 540. Микроканал 500 согласно варианту осуществления данного изобретения имеет такую конфигурацию, чтобы усиливать эффект охлаждения, избирательно устраняя воздействие столкновений без зеркального отскока.

Помимо того, средний свободный пробег между составными частицами 510 в текучей среде 515 обычно возрастает при увеличении расстояния между впускным отверстием 530 и выпускным отверстием 550, поэтому зависимость зеркального рассеяния составных частиц 510 на стенке 505 от длины вдоль микроканала 500 будет, вероятно, способствовать превращению части компоненты скорости, которая была перпендикулярна направлению 520, в компоненту, параллельную направлению 520.

Более того, микроканал 500 конструктивно мал (т.е. имеет площадь внутренней поверхности, которая в предпочтительном варианте осуществления составляет приблизительно 6^-10 м² на линейный микрон), поэтому отношение площади поверхности, которой стенка 505 обращена к заданному объему текучей среды 515 в области 540, сравнительно велико (т.е. когда объем текучей среды 515, окруженный стенкой с указанной выше площадью поверхности, составляет примерно 3^-15 м³ на линейный микрон). Поскольку поверхность, обращенная стенкой 505 к объему текучей среды 515, является основным местом энергообмена между стенкой 505 и текучей средой 515, это приводит к максимальному увеличению общего энергообмена между текучей средой 515 и микроканалом 500.

На фиг.6 показан другой показательный вариант осуществления настоящего изобретения. Микроканал 600 содержит впускное отверстие 630 и выпускное отверстие 650. Текучая среда 615, состоящая из составных частиц 610, перемещается по микроканалу 600 в направлении 620. Стенка 605 микроканала 600 прилегает к потоку текучей среды 615. Изображение, соотнесенное с фиг.6, представляет собой поперечный срез микроканала 600 согласно данному изобретению. Как было указано выше в отношении микроканала 100, другие показательные поперечные сечения микроканала 600 согласно данному изобретению изображены на фиг.2, причем они представляют собой поперечные срезы, соответствующие срезу 135 (в этом варианте показанному на фиг.6). Так, например, поперечное сечение впускного отверстия 630 и выпускного отверстия 650 может иметь квадратную форму 101, круглую форму 102, прямоугольную форму 103 или какую-либо иную форму ограниченной двухмерной фигуры.

Перемещение текучей среды 615 по микроканалу 600 в направлении 620 может происходить за счет разности давлений между впускным отверстием 630 и выпускным отверстием 650. Кроме того, стенка 605 и составные частицы 610 имеют такую конфигурацию, что столкновения между составными частицами 610 и стенкой 605, которые происходят внутри микроканала 600 (во внутренней его области, которая обычно представляет собой область 640), преимущественно сопровождаются зеркальным отскоком.

Текучая среда 615, которая входит в микроканал 600 через впускное отверстие 630, может перемещаться к выпускному отверстию 650, например, за счет воздействия, оказываемого на текучую среду 615 во впускном отверстии 630, чтобы создавать поток в направлении 620 в сторону выпускного отверстия 650 (когда, например, давление текучей среды 615 во впускном отверстии 630 больше, чем давление текучей среды 615 в выпускном отверстии). Если температура текучей среды 615 во входном отверстии 630 составляет T₁, тогда составные частицы 610 (до поступления в микроканал 600) можно представить в виде распределения скоростей, среднее значение которых пропорционально температуре.

В варианте осуществления, показанном на фиг.6, рассматривается текучая среда 615, перемещаемая параллельно направлению 620. Следовательно, составные частицы 610 в текучей среде 615 будут обладать большей компонентой скорости в направлении 620 (относительно микроканала 600), чем в направлении, перпендикулярном направлению 620.

Но в отличие от микроканала 500 стенка 605 микроканала 600 имеет такую конфигурацию, когда площадь поперечного сечения резко ум