Отказоустойчивая система управления для распределенных микродвижителей

Отказоустойчивая система управления для распределенных микродвижителей

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Перекрестная ссылка

[0001] Данная заявка содержит ссылки на предварительные патентные заявки US 61/239446, поданную 3 сентября 2009 г., US 61/264778, поданную 27 ноября 2009 г., US 61/296198, поданную 19 января 2010 г., и US 61/448621, поданную 2 марта 2011 г., и международную заявку PCT № US2010/002428, поданную 3 сентября 2010 г., содержание которых в полном объеме включено в данное описание посредством ссылки. Испрашивается приоритет предварительной патентной заявки US 61/448621, поданной 2 марта 2011 г.

Область техники

[0002] Настоящее изобретение относится к способам и устройствам для управления системами газовой тяги, генерацией вакуума, газовой компрессией и к другим вариантам использования.

Уровень техники

[0003] Устройства для перемещения газов широко используются. Самые первые авиационные двигатели представляли собой пропеллеры с поршневым приводом. Они работали за счет соединения поршневого двигателя с пропеллером. Их простота обусловила их широкое распространение, пока не были изобретены реактивные двигатели. Турбореактивные двигатели работают по принципу соединения турбины с системой создания топливной смеси. Вращение турбины сжимает топливовоздушную смесь, которая, при сгорании, обеспечивает тягу и крутящий момент для вращения турбины. Первые турбореактивные двигатели развивали свою тягу за счет продуктов сгорания, покидающих двигатели. Современные варианты турбореактивных двигателей включают в себя турбовинтовые и турбовентиляторные двигатели, которые используют крутящий момент, развиваемый продуктами сгорания, для приведения в действие пропеллера или вентилятора помимо сжатия топливовоздушной смеси. Ракетные двигатели, возможно, являются одними из старейших систем механической тяги и не претерпели значительных изменений с момента своего возникновения. Ракета содержит трубу или конус, где находится (или куда подается) смесь топлива и окислителя. Расширяющийся газ, образующийся в результате сгорания этой смеси, создает тягу. Ракеты, хотя и обеспечивают наивысшее отношение тяги к массе топлива из всех существующих систем тяги, не могут легко изменять величину развиваемой ими тяги. Даже добавление возможности выключать и отключать ракету значительно усложняет ее конструкцию.

[0004] Адгезия между двумя материалами может характеризоваться пятью типами: механический, химический, дисперсионный, электростатический и диффузионный. Из этих пяти типов, до сих пор, только электростатический и определенные типы механической адгезии являются легко обратимыми процессами. Вакуум можно использовать для адгезии поверхностей и подъема материалов. Однако такие устройства в общем случае требуют отдельных механизмов для создания пониженного давления и применения вакуума к поверхности. Система генерации вакуума, в общем случае, включает в себя вакуумный насос, регулирующий клапан, воздушный фильтр, вакуумметр, вакуумный резервный бак и источник мощности. Преимущество использования вакуума для адгезии, однако, состоит в том, что не остается остатка. Обычно другие типы адгезии оставляют после себя остаток, который часто является нежелательным.

[0005] В общем случае, вышеупомянутые традиционные системы тяги также можно использовать для сжатия газа. Можно также сжимать газ по закону идеального газа, например в поршневых или диафрагменных насосах. Современные устройства, в общем случае, требуют устройства нагнетания, отдельные от резервуара повышенного давления.

[0006] Способность создавать поток газа путем создания перепада температур на поверхности давно известна. В 1873 г. Вильям Крукс изобрел радиометр для измерения лучистой энергии тепла и света. В настоящее время, радиометр Крукса часто продается как новинка в антикварных магазинах. Он состоит из четырех лопастей, каждая из которых зачернена с одной стороны и является светлой с другой. Они присоединены к ротору, который может вращаться с очень малым трением. Механизм заключен внутри прозрачной стеклянной колбы, из которой полностью или почти полностью удален воздух. Когда свет падает на лопасти, лопасти вращаются так, как будто свет толкает черные поверхности.

[0007] Крукс первоначально объяснял, что световое излучение оказывает давление на черные стороны, вращая лопасти. На его статью ссылался Джеймс Клерк Максвелл, который принял объяснение, поскольку ему казалось, что оно согласуется с его теориями электромагнетизма. Однако свет, падающий на черную сторону лопастей, поглощается, тогда как свет, падающий на серебристую сторону, отражается. Это должно было создавать вдвое большее давление излучения на светлую сторону, чем на черную, а это означает, что крыльчатка вращается не в том направлении, в каком она должна была бы вращаться согласно первоначальному объяснению Крукса. Затем были предложены другие неверные объяснения, некоторые из которых бытуют по сию пору. Одна гипотеза состоит в том, что газ в колбе нагревается в большей степени излучением, поглощаемым на черной стороне, чем на светлой стороне. Предлагалось, что давление более теплого газа толкает темную сторону лопастей. Однако, проведя более скрупулезный анализ, Максвелл показал, что этот эффект не может привести к созданию равнодействующей силы, а только к устойчивому потоку тепла через лопасти. Еще одно неверное объяснение, которое широко предлагается даже в наши дни, состоит в том, что более быстрое движение горячих молекул на черной стороне лопасти обеспечивают толкание.

[0008] Правильное объяснение действия радиометра Крукса приведено в работе, которую Осборн Рейнольдс представил на рассмотрение Королевского Общества в начале 1879 г. Он описал поток газа через пористые пластины, обусловленный разностью температур на противоположных сторонах пластин, который он назвал "тепловой транспирацией". Газ при однородном давлении течет через пористую пластину от холодной стороны к горячей. Если пластины не могут двигаться, равновесие достигается, когда отношение давлений по обе стороны равно квадратному корню из отношения абсолютных температур. В статье Рейнольдса также рассмотрен радиометр Крукса. Рассмотрим края лопастей радиометра. Край более теплой стороны действует более высокой силой на наклонно ударяющие молекулы газа, чем холодный край. Этот эффект заставляет газ проходить через область температурного градиента на краевой поверхности. Лопасть движется от нагретого газа в сторону более холодного газа, при этом газ проходит вокруг краев лопастей в противоположном направлении. Максвелл также ссылался на статью Рейнольдса, который предложил ему написать свою собственную статью, “On stresses in rarefied gases arising from inequalities of temperature”. Статья Максвелла, где он проверяет и критикует Рейнольдса, была опубликована в Philosophical Transactions of the Royal Society в конце 1879 г., до публикации самой статьи Рейнольдса. См. Philip Gibbs в “The Physics and Relativity FAQ,” 2006, на math.ucr.edu/home/baez/physics/General/LightMill/light-mill.html.

[0009] Несмотря на то, что Рейнольдс и Максвелл описывали поток газа на поверхности под действием тепла еще в конце 19-го века, потенциал применения перемещения газов за счет взаимодействия с горячей и холодной поверхностями долгое время не был по достоинству оценен. Для работы радиометра Крукса требуется разреженный газ (т.е. газ, давление которого много меньше атмосферного давления), и поток газа через пористые пластины не дает полезную тягу, частично вследствие толщины и вследствие случайного расположения пор в пористых пластинах.

[0010] Кроме того, необходима система управления для управления правильным функционированием тепловой транспирации в данном наборе пористых пластин. Это позволило бы использовать пластину для ряда приложений, включая тяговые, вакуумные системы и т.д.

Сущность изобретения

[0011] Здесь раскрыта система управления для управления работой множества микродвижителей, размещенных в множестве параллельных горизонтальных строк и множестве параллельных вертикальных столбцов. Система управления содержит источник мощности, первое множество линий питания, подключенных к источнику мощности и присоединенных к, по меньшей мере, одному микродвижителю из множества микродвижителей в горизонтальной строке из множества параллельных горизонтальных строк, второе множество линий питания, подключенных к источнику мощности и присоединенных к, по меньшей мере, одному микродвижителю из множества микродвижителей в вертикальном столбце из множества параллельных вертикальных столбцов, и блок управления, присоединенный к источнику мощности для управления активацией первого множества линий питания и активацией второго множества линий питания.

[0012] Кроме того, первое множество линий питания пересекается со вторым множеством линий питания во множестве положений, и при активации выбранной линии питания из первого множества линий питания и выбранной линии питания из второго множества линий питания, электрическая цепь завершается. Электрическая цепь активирует, по меньшей мере, один выбранный микродвижитель из множества микродвижителей.

[0013] В одном варианте осуществления, источник мощности содержит батарею.

[0014] В другом варианте осуществления, блок управления содержит центральный процессор.

[0015] В дополнительном варианте осуществления, множество микродвижителей состоит из устройств NMSet.

[0016] В еще одном варианте осуществления, система управления дополнительно содержит третье множество линий питания, подключенных к источнику мощности и присоединенных к тому же, по меньшей мере, одному микродвижителю из множества микродвижителей, что и первое множество линий питания, и четвертое множество линий питания, подключенных к источнику мощности и присоединенных к тому же, по меньшей мере, одному микродвижителю из множества микродвижителей, что и второе множество микродвижителей. Дополнительно, активация третьего множества линий питания и четвертого множества линий питания регулируется блоком управления.

[0017] В еще одном варианте осуществления, каждая из линий питания третьего множества является резервной для первого множества линий питания.

[0018] В другом варианте осуществления, каждая из линий питания четвертого множества является резервной для второго множества линий питания.

[0019] В еще одном варианте осуществления, система управления дополнительно содержит устройство обнаружения отказа для обнаружения отказа в, по меньшей мере, одной из первого множества линий питания или в, по меньшей мере, одной из второго множества линий питания. Устройство обнаружения отказа присоединено к блоку управления для регистрации отказа.

[0020] В еще одном варианте осуществления, блок управления регистрирует отказ в одном из первого множества линий питания или второго множества линий питания, и блок управления управляет выбранной линией питания из третьего множества линий питания или выбранной линией питания из четвертого множества линий питания для завершения электрической цепи для активации, по меньшей мере, одного выбранного микродвижителя.

[0021] В дополнительном варианте осуществления, блок управления одновременно управляет выбранным множеством микродвижителей из множества микродвижителей.

[0022] В еще одном варианте осуществления, электрическая цепь активирует, по меньшей мере, один выбранный микродвижитель путем нагрева, по меньшей мере, одного выбранного микродвижителя.

[0023] В еще одном варианте осуществления, множество микродвижителей содержит множество проводящих областей, и каждая из проводящих областей окружена тепловым барьером, благодаря чему, электрическая цепь активирует, по меньшей мере, одну проводящую область из множества проводящих областей, и активированная, по меньшей мере, одна проводящая область оказывается изолированной от других проводящих областей.

[0024] Далее раскрыт способ управления множеством микродвижителей, размещенных в множестве параллельных горизонтальных строк и множестве параллельных вертикальных столбцов. Способ содержит этапы, на которых обеспечивают источник электрической мощности для, по меньшей мере, одной линии питания из первого множества линий питания. Первое множество линий питания присоединено к, по меньшей мере, одному микродвижителю из множества микродвижителей в горизонтальной строке из множества параллельных горизонтальных строк. Способ также требует обеспечения источника электрической мощности для, по меньшей мере, одной линии питания из второго множества линий питания. Второе множество линий питания присоединено к, по меньшей мере, одному микродвижителю из множества микродвижителей в вертикальном столбце из множества параллельных вертикальных столбцов.

[0025] Способ дополнительно требует завершения электрической цепи, состоящей из, по меньшей мере, одной линии питания из первого множества линий питания и, по меньшей мере, одной линии питания из второго множества линий питания, и активации, по меньшей мере, одного выбранного микродвижителя через электрическую цепь. Блок управления управляет обеспечением источника электрической мощности для, по меньшей мере, одной линии питания из первого множества линий питания и обеспечением источника электрической мощности для, по меньшей мере, одной линии питания из второго множества линий питания.

[0026] В одном варианте осуществления, источник электрической мощности содержит батарею.

[0027] В другом варианте осуществления, блок управления содержит центральный процессор.

[0028] В еще одном варианте осуществления, множество микродвижителей состоит из устройств NMSet.

[0029] В дополнительном варианте осуществления, устройства NMSet содержат по меньшей мере, первый слой и второй слой, размещенные в стопке; средство для нагрева и/или охлаждения первого слоя и второго слоя для формирования горячего слоя и холодного слоя; причем холодный слой имеет более низкую температуру, чем горячий слой; в стопке образован, по меньшей мере, один сквозной канал; поверхность каждого горячего слоя открывается внутрь, по меньшей мере, одного сквозного канала; поверхность каждого холодного слоя открывается внутрь, по меньшей мере, одного сквозного канала; и полная длина сквозного канала до 10 раз превышает среднюю длину свободного пробега газа, в который погружено устройство NMSET, и/или не превышает 1500 нм.

[0030] В еще одном варианте осуществления, способ дополнительно содержит этапы, на которых обеспечивают источник электрической мощности для третьего множества линий питания, присоединенных к тому же, по меньшей мере, одному микродвижителю из множества микродвижителей, что и первое множество линий питания, и обеспечивают источник электрической мощности для четвертого множества линий питания, присоединенных к тому же, по меньшей мере, одному микродвижителю из множества микродвижителей, что и второе множество линий питания. Блок управления активирует третье множество линий питания и активирует четвертое множество линий питания.

[0031] В еще одном варианте осуществления, третье множество линий питания является резервным по отношению к первому множеству линий питания.

[0032] В другом варианте осуществления, четвертое множество линий питания является резервным по отношению ко второму множеству линий питания.

[0033] В еще одном варианте осуществления, способ дополнительно содержит этап, на котором регистрируют отказ в, по меньшей мере, одной из первого множества линий питания или в, по меньшей мере, одной из второго множества линий питания, так что отказ регистрируется посредством устройства обнаружения отказа, присоединенного к блоку управления.

[0034] В еще одном варианте осуществления, способ дополнительно содержит этап, на котором блок управления управляет, по меньшей мере, одной из третьего множества линий питания или, по меньшей мере, одной из четвертого множества линий питания для активации, по меньшей мере, одного выбранного микродвижителя.

[0035] В дополнительном варианте осуществления, способ дополнительно содержит этап, на котором одновременно управляют множеством микродвижителей из множества микродвижителей.

[0036] В еще одном варианте осуществления, способ дополнительно содержит этап, на котором электрическая цепь активирует, по меньшей мере, один выбранный микродвижитель путем нагрева, по меньшей мере, одного выбранного микродвижителя.

[0037] В еще одном варианте осуществления, множество микродвижителей содержит множество проводящих областей, и каждая из проводящих областей окружена тепловым барьером. Дополнительно, этап активации, по меньшей мере, одного выбранного микродвижителя через электрическую цепь содержит подэтап, на котором активируют, по меньшей мере, одну проводящую область из множества проводящих областей, таким образом, что, активированная, по меньшей мере, одна проводящая область оказывается изолированной от других проводящих областей.

[0038] Другие детали, задачи и преимущества настоящего изобретения раскрыты в нижеследующем описании определенных предпочтительных в настоящее время вариантов осуществления.

Краткое описание чертежей

[0039] Настоящие способы, устройства и системы будут описаны ниже посредством примерных вариантов осуществления, которыми не ограничивается изобретение, заданное нижеследующей формулой изобретения. Детали одного или более вариантов осуществления изложены в нижеследующем описании и показаны на прилагаемых чертежах. Другие признаки, задачи и преимущества следуют из описания и чертежей, а также из формулы изобретения.

На чертежах:

[0040] Фиг. 1 изображает тепловой насос. Это может быть плита Пельтье, плита, приводимая в действие термоэлектронной эмиссией, или любым другим подходящим средством;

[0041] Фиг. 2 - потоки газа вокруг теплового насоса, показанного на фиг. 1;

[0042] Фиг. 3 - газ, заключенный в квадратную коробку с параллельными горячими стенками и параллельными холодными стенками;

[0043] Фиг. 4 - равнодействующие силы, развиваемые на стопке наномолекулярных твердотельных электродинамических движителей ("NMSET") с пилообразной геометрией;

[0044] Фиг. 5 - скорости частиц газа вокруг стопки NMSET с пилообразной геометрией;

[0045] Фиг. 6 - эффект Пельтье, усиленный термотуннелированием;

[0046] Фиг. 7 - стопку NMSET с параболической геометрией;

[0047] Фиг. 8 - картины потока газа вокруг стопки NMSET, показанной на фиг. 7, и пространство импульсов газа;

[0048] Фиг. 9 - стопку NMSET с треугольной геометрией;

[0049] Фиг. 10 - пространство импульсов газа вокруг стопки NMSET с треугольной геометрией;

[0050] Фиг. 11 - стопку NMSET с пилообразной геометрией;

[0051] Фиг. 12 - пространство импульсов газа вокруг стопки NMSET с пилообразной геометрией;

[0052] Фиг. 13 - вид в разрезе NMSET с внутренним размещением твердотельных тепловых насосов. Эти тепловые насосы могут приводиться в действие эффектом Пельтье, термоэлектронной эмиссией или любым другим подходящим средством;

[0053] Фиг. 14 - общий вид NMSET с внутренним размещением твердотельного теплового насоса, показанного на фиг. 13;

[0054] Фиг. 15 - общий вид NMSET с внешним размещением твердотельного теплового насоса;

[0055] Фиг. 16 - вид в разрезе NMSET с внешним размещением твердотельного теплового насоса, показанного на фиг. 15;

[0056] Фиг. 17 - общий вид NMSET с внешним размещением нетвердотельного теплового насоса;

[0057] Фиг. 18 - вид в разрезе ступенчатого размещения NMSET;

[0058] Фиг. 19 - NMSET с прямолинейной геометрией;

[0059] Фиг. 20 - примерный способ изготовления NMSET;

[0060] Фиг. 21 - другой примерный способ изготовления NMSET;

[0061] Фиг. 22 - вид в разрезе сбоку, иллюстрирующий устройство тепловой транспирации;

[0062] Фиг. 23 - вид в разрезе сбоку, демонстрирующий работу устройства тепловой транспирации;

[0063] Фиг. 24 - вид в разрезе сбоку устройства тепловой транспирации с одним расширенным слоем и наклонными стенками;

[0064] Фиг. 25 - вид в разрезе сверху устройства тепловой транспирации, представленного на фиг. 24;

[0065] Фиг. 26 - вид в разрезе сбоку устройства тепловой транспирации с одним расширенным слоем и стенками, подвергнутыми сухому или влажному травлению;

[0066] Фиг. 27 - вид в разрезе сверху устройства тепловой транспирации, представленного на фиг. 26;

[0067] Фиг. 28 - вид в разрезе сбоку устройства тепловой транспирации с двумя расширенными слоями и наклонными стенками;

[0068] Фиг. 29 - вид в разрезе начала формирования одного варианта осуществления устройства тепловой транспирации;

[0069] фиг. 30 - вид в разрезе продолжения формирования устройства тепловой транспирации, показанного на фиг. 29;

[0070] Фиг. 31 - вид в разрезе сбоку продолжения формирования устройства тепловой транспирации, показанного на фиг. 30;

[0071] Фиг. 32 - вид в разрезе, демонстрирующий дополнительно формирование устройства тепловой транспирации, показанного на фиг. 31;

[0072] Фиг. 33 - вид в разрезе, демонстрирующий островки, образующиеся при формировании устройства тепловой транспирации;

[0073] Фиг. 34 - вид сверху варианта осуществления системы управления в соответствии с настоящим изобретением;

[0074] Фиг. 35 - вид сверху системы управления, представленной на фиг. 34, демонстрирующий операцию подачи мощности на набор соединительных путей;

[0075] Фиг. 36 - вид сверху системы управления, представленной на фиг. 34, демонстрирующий последствия отказа в одной из линий питания;

[0076] Фиг. 37 - вид сверху варианта осуществления системы управления в соответствии с настоящим изобретением, которая включает в себя отказоустойчивые признаки;

[0077] Фиг. 38 - вид сверху другого варианта осуществления системы управления, предназначенной для управления более крупными решетками распределенных движителей, чем система управления на фиг. 34;

[0078] Фиг. 39 - вид сверху другого предпочтительного варианта осуществления системы управления, предназначенного для управления более крупными решетками распределенных движителей, чем система управления на фиг. 38;

[0079] Фиг. 40А - вид сверху другого варианта осуществления настоящего изобретения, демонстрирующий первичные и вторичные области воздействия, когда система управления активирует целевую область;

[0080] Фиг. 40В - вид в разрезе варианта осуществления, показанного на фиг. 40А, с пересекающимися линиями питания, расположенными на нагретой стороне устройства;

[0081] Фиг. 40С - другой вид в разрезе варианта осуществления, показанного на фиг. 40А, с пересекающимися линиями питания на каждой стороне устройства;

[0082] Фиг. 41А - вид сверху другого варианта осуществления настоящего изобретения с электрическим и/или тепловым изолятором;

[0083] Фиг. 41В - вид в разрезе варианта осуществления, показанного на фиг. 41А, с пересекающимися линиями питания, расположенными на нагретой стороне устройства;

[0084] Фиг. 42А - вид сверху сетчатой структуры для решетки распределенных движителей, которая включает в себя линию подачи мощности и множество линий ответвления в точке пересечения линий питания, для использования с системой управления;

[0085] Фиг. 42В - вид сверху промежуточного изолирующего слоя, расположенного поверх фиг. 42А;

[0086] Фиг. 42С - вид сверху сетчатой структуры из линии подачи мощности и множества линий ответвления, которая располагается поверх фиг. 42В и создает множество целевых точек из единственной точки пересечения линий питания, для использования с системой управления;

[0087] Фиг. 43 и 44 - схемы для создания температурного градиента;

[0088] Фиг. 45 - диаграммы, демонстрирующие полезный рост и спад температуры в устройстве, имеющем температурный градиент;

[0089] Фиг. 46 - вид в разрезе сверху множества зон движителя, размещенных в горизонтальных и вертикальных строках в соответствии с настоящим изобретением;

[0090] Фиг. 47 - вид в разрезе сверху множества зон движителя, демонстрирующий эффект нагрева соседних зон при активации зоны движителя;

[0091] Фиг. 48 - последовательность активации для устройств температурного градиента из множества устройств температурного градиента в соответствии с настоящим изобретением.

Подробное описание

[0092] В предпочтительных вариантах осуществления, одним примером распределенных движителей, является описанное здесь устройство, которое может именоваться наномолекулярным твердотельным электродинамическим движителем ("NMSET"). Принцип работы NMSET позволяет применять NMSET, например, в области тяги, адгезии, компрессии и холодильной техники, в зависимости от характера применения NMSET. В предпочтительных вариантах осуществления, NMSET и родственные распределенные движители устройства обеспечивают легкое, компактное, энергоэффективное создание перепада давления газа с регулируемой скоростью течения.

Тяга

[0093] В некоторых вариантах осуществления, распределенные движители, например NMSET, могут обеспечивать одно или более из следующих усовершенствований в области газовой тяги:

1. Повышенная упругость: повреждение любой области в традиционной системе газовой тяги, вероятно, приведет к разрушению всей системы. Распределенные движители обеспечивают повышенное резервирование и надежность.

2. Легкость: распределенные движители с электрическим приводом, могут использовать фотогальванические тонкие пленки, что позволяет избавиться от необходимости заправки топливом. Кроме того, поскольку каждый движитель в системе распределенных движителей создает локальный перепад давления газа, этот локальный эффект может требовать менее и/или более легкие устройства для поддержания структурной целостности такой системы газовой тяги, чем обычно требуется в нераспределенной системе газовой тяги, которая генерирует такой же объем потока газа.

3. Масштабируемость: традиционные системы газовой тяги нелегко масштабировать; оптимальные турбореактивные двигатели для малых самолетов не получаются пропорциональным уменьшением размеров оптимальных турбореактивных двигателей для больших самолетов. Распределенные движители проще масштабировать, поскольку масштабирование, в основном, изменяет количество движителей, оставляя размеры отдельного движителя по большей части неизменными.

4. Время реакции: менее массивные устройства создания тяги быстрее повышают и снижают обороты; таким образом, тягу, развиваемую системой газовой тяги с распределенным движителем, легче регулировать в соответствии с изменениями необходимости.

5. Независимость мощности: для работы большинства традиционных систем тяги требуется топливо конкретного типа или класса, тогда как некоторые варианты осуществления распределенных движителей, например, NMSET, требуют лишь источник перепада температур, который может генерироваться с помощью электричества.

6. Зеленая тяга: некоторые варианты осуществления распределенных движителей, например, некоторые варианты осуществления NMSET, предполагают электрическое питание и, таким образом, не требуют ископаемых видов топлива для работы; поэтому они не вырабатывают загрязняющих продуктов сгорания (например, угарного газа, оксида азота) в ходе обычной эксплуатации, когда они используют незагрязняющий способ генерации необходимых электрических токов.

Адгезия

[0094] В некоторых вариантах осуществления, распределенные движители, например, NMSET, можно использовать как легкий механический адгезив, который прилепляется к поверхности посредством всасывания. Процесс может быть обратимым, поскольку единственный этап, необходимый для обращения адгезии, состоит в снижении мощности, подаваемой в систему в некоторых вариантах осуществления. Использование такой системы может обеспечивать дополнительное преимущество над электростатической адгезией, состоящее в том, что такая система не требует, чтобы прилепляемый материал, был плоским или проводящим, и не оставляет после себя остатка. По сравнению с другими процессами механической адгезии, использование такой системы может не требовать предварительной обработки прилепляемой поверхности.

Газовая компрессия

[0095] Поскольку распределенные движители, например, NMSET, могут размещаться так, чтобы обеспечивать поток газа через поверхность; резервуар повышенного давления может, полностью или частично, функционировать для обеспечения газовой компрессии. Таким образом, в некоторых конфигурациях, может не требоваться разделение нагнетательного узла и резервуара повышенного давления. Кроме того, поскольку действие такой системы, в общем случае, происходит в пределах малых расстояний, в некоторых вариантах осуществления, можно использовать такую систему в качестве очень компактного компрессора путем укладки в стопку множественных ступеней распределенных движителей. Традиционные системы газовой тяги, в общем случае, работают на расстояниях порядка сантиметром и иногда метров. Таким образом, укладка в стопку традиционных систем тяги в большинстве случаев является сложным и дорогостоящим предложением. Напротив, распределенные движители можно упаковывать для работы на малых расстояниях, например, вплоть до микронов. Кроме того, универсальность таких систем означает, что такую систему можно легко адаптировать для работы в качестве насоса высокого давления, стандартного воздушного насоса или с достаточным количеством ступеней, в качестве насоса высокого вакуума.

Конструкция NMSET

[0096] В одном аспекте и варианте осуществления, NMSET и некоторые родственные устройства, описанные здесь, можно рассматривать как функционирующие путем снижения энтропии газа, контактирующего с системой. В необязательном порядке, такое устройство может сообщать газу добавочную энергию, помимо энергии, теряемой из-за неэффективностей в системе, например, тепловую энергию. В другом аспекте и варианте осуществления, геометрия NMSET и некоторых родственных устройств может влиять на направление потока газа и удобство использования. Некоторые варианты осуществления NMSET и некоторых родственных устройств могут дополнительно отличаться от предыдущих устройств тепловой транспирации и пр. совместным применением параметров масштабирования, материалов, имеющих преимущественные молекулярные свойства отражения, геометрии, конструкции, формирования и размещения элементов, которые обеспечивают значительное увеличение эффективности, и/или возможности для работы при более высоких внешних давлениях и/или создания более высоких расходов. Здесь описаны различные примерные варианты осуществления NMSET с рассмотрением этих и других параметров, которые, в предпочтительных вариантах осуществления, могут создавать сильный поток газа в конкретном направлении с минимальными термодинамическими потерями, и/или работать при более высоких внешних давлениях, и/или создавать более высокие расходы.

[0097] Снижение энтропии газа с помощью NMSET можно представить преобразованием A в пространстве k импульсов газа. A можно выразить в виде матрицы, выбрав набор подходящих базисных векторов для пространства k импульсов. Если ожидаемое значение преобразованного пространства Ak импульсов является ненулевым, NMSET принимает результирующий импульс в противоположном направлении ожидаемого значения в соответствии с законом сохранения импульса.

[0098] Геометрию NMSET можно оптимизировать для более эффективного функционирования. Геометрия NMSET влияет на матрицу A преобразования. Геометрия, которая создает матрицу A, по существу равную единичной матрице I, не создает смещения результирующего импульса (т.е. преобразованное пространство Ak импульсов не будет иметь ненулевого ожидаемого значения). Напротив, могут генерироваться газовые вихри. Геометрии, которые приводят к увеличенным собственным значениями A, по большей части, предусматривают более эффективное функционирование, например, в том смысле, что частицы газа, движущиеся в конкретном направлении, переносят больший импульс.

[0099] В порядке примера, рассмотрим тепловой насос 100, погруженный в газ, показанный на фиг. 1. Тепловой насос 100 содержит верхний слой 101 и нижний слой 102. Для простоты, декартова система координат может быть представлена осью y, указывающей направление от нижнего слоя 102 к верхнему слою 101. Перепад температур может устанавливаться устройством Пельтье (не показано) между слоями или любым подходящим средством, благодаря чему, верхний слой 101 холоднее, чем газ, и нижний слой 102 горячее, чем газ. Для простоты, предположим, что тепловой насос 100 имеет цикл Карно со 100%-ным кпд. Однако допустимы и другие кпд. В этом случае, тепловой насос 100 не будет переносить чистое тепло в газ. Преобразование пространства k импульсов газа, обусловленное тепловым насосом 100, можно выразить эрмитовой матрицей A. Когда частица газа (молекула или атом) сталкивается с нижним слоем 102, предполагая, что столкновение является диабатическим, частица газа отскакивает с более высокой скоростью, чем до столкновения. Когда частица газа сталкивается с верхним слоем 101, предполагая, что столкновение является диабатическим, частица газа отскакивает от верхнего слоя 101 с более низкой скоростью, чем до столкновения. Тепловой насос 100 подвергается равнодействующей силе в направлении y. Другими словами, нижний слой 102 нагревается и, таким образом, увеличивает давление газа под нижним слоем 102, тогда как верхний слой 101 охлаждается и, таким образом, уменьшает давление газа над верхним слоем 101. Перепад давления воздействует силой на тепловой насос 100 в направлении y. В отношении преобразования пространства k импульсов газа, поскольку частицы газа, отскакивающие от верхнего слоя 101, остаются с меньшим импульсом, чем частицы газа, отскакивающие от нижнего слоя 102, преобразованное пространство Ak импульсов перекашивается, предпочтительно, в направлении -y, т.е. ожидаемое значение p преобразованного пространства Ak импульсов является ненулевым и указывает в направлении -y. Предполагая, что газ и тепловой насос 100 образуют замкнутую систему (т.е. не взаимодействующую с другими объектами), тепловой насос 100 приобретает импульс -p для сохранения суммарного импульса замкнутой системы.

[0100] Хотя геометрия теплового насоса 100, показанного на фиг. 1, создает направленную силу, в определенных обстоятельствах он может быть непрактичен по следующим причинам:

1. Если тепловой насос 100 велик, поступательное движение теплового насоса 100 в направлении y заставляет газ постоянно течь вокруг краев теплового насоса.

2. Тепло, в основном, переносится от поверхностей теплового насоса 100 посредством конвекции газа.

3. Газ вблизи поверхностей оказывает изолирующее действие. Перенос импульса между тепловым насосом 100 и газом не является эффективным кроме как вблизи краев плиты, как показано на фиг. 2.

4. Площадь поверхности теплового насоса 100 равна площади поверхности его выпуклой оболочки.

[0101] Все эти проблемы сводятся к тому, что очень малое количество газа напрямую контактирует с поверхностью. Таким образом, можно отдать предпочтение более сложной геометрии. Здесь описаны примерные варианты осуществления с тремя разными геометриями.

Принципы работы

[0102] Хотя возможны многие разные геометрии NMSET или родственных устройств, принцип действия NMSET остается одним и тем же. Не желая ограничиваться какой-либо конкретной теорией, в работе используется энергия для снижения энтропии на некоторых поверхностях устройства и сообщения сниженной энтропии газу, контактирующему с поверхностью. Устройство, в необязательном порядке, может сообщать энергию газу, повышая температуру газа. Поэтому функцию NMSET можно разделить на три области: средство для снижения энтропии на поверхностях устройства, средство для сообщения газу сниженной энтропии, и необязательное средство, отличное от неэффективного цикла Карно теплового насоса, для повышения температуры газа.

Перепад температур

[0103] Перепад температур между слоями материала или, более точно, между двумя противоположными поверхностями, в общем случае, требуется для работы NMSET или родственного устройства. В описанных здесь предпочтительных вариантах осуществления, перепад температур может устанавливаться в твердотельном электродинамическом механизме, т.е. “SE” NMSET. Однако описанные здесь устройства и способы не ограничиваются электронными или исключительно твердотельными устройствами. Например, перепад температур можно устанавливать посредством переноса тепла, выделяющегося при сгорании, с использованием жидкого теплоносителя, экзотермической химической реакции или другого химического источника. Перепад