专利名称：纳米分子固态电力推动器的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于导致流体如气体运动的方法和装置，其可用于推进系统、真空发生器、气体压缩器和其他用途。
背景技术：
用于气体运动的装置是广泛使用的。最初的飞机发动机是活塞驱动的螺旋桨。其通过将活塞发动机接合到螺旋桨上来工作。其简单性导致了广泛的使用，直到发明了喷气式发动机为止。涡轮喷气发动机根据将涡轮机接合于混合燃料系统的原理而工作。涡轮发动机的转动压缩空燃混合物，其在燃烧时会提供推力和转矩，以旋转涡轮发动机。最初的涡轮喷气发动机从离开发动机的废气中获得其推力。现代涡轮发动机的变体包括涡轮螺旋桨和涡扇发动机，其使用废气产生的转矩来压缩空燃混合物和驱动螺旋桨或风扇。火箭发动机可能是最古老的机械推进系统之一，并且从其开始至今没有大的改变。火箭包括管体或锥体，在其中安置了(或输送了)燃料氧化剂混合物。来自这种混合物燃烧的膨胀气体会产生推力。虽然能提供任何现有推进系统中的最高燃料推力比，然而火箭无法容易地改变其产生的推力的量。即使是增设发动或关闭火箭的能力，也会使其设计复杂得多。两种材料之间的粘合可分为五种类型机械式、化学式、分散式、静电式和扩散式。在这五种类型中，到目前为止仅有静电式和特定类型的机械式粘合是易可逆的过程。可采用真空来粘合表面和提升材料。但是，这种装置通常要求用于产生降低的压カ和给表面施加真空的独立机构。通常，上文提及的传统推进系统也可用于压缩气体。其也能够通过理想气体定律例如在活塞泵或隔膜泵中压缩气体。目前的装置通常要求有与压カ容器分开的泵送机构。早已经知道，表面处的温度差能够驱动气流。在1873年，William Crookes爵士研制了用于测定光和热的辐射能的辐射计。现在，Crookes辐射计经常在博物馆商店内作为新奇物件而出售。其由四个叶片组成，每个叶片的ー侧涂黑而另ー侧涂白。将这些叶片附接于可以非常小的摩擦转动的转子上。该机构放在一个移除了大部分但非全部空气的透明玻璃罩内。当光落在叶片上时叶片转动，其中似乎是黑表面由光来推动。Crookes初始解释为，光辐射导致在黑侧部上产生压力以转动叶片。他的论文被James Clerk Maxwell引用，后者由于这种解释看起来与他的电磁理论相符而接受了该解释。但是，落在叶片黑侧部上的光被吸收了，而落在白侧部上的光被反射了。这将在白侧部上施加两倍于黑侧部上的福射压力，意味着如果Crookes的初始解释是正确的，那么叶片就转错了方向。随后提出了另外ー些错误的解释，其中ー些今天仍然存在。ー种建议是，由黑侧部吸收的辐射所加热的罩中气体比白侧部更多。较暖气体的压カ被认为会推动叶片的黑侧部。但是，在更透彻的分析之后，Maxwell提出不存在来自这种作用的净力，仅存在越过叶片的恒定热流。甚至在今天还广泛提出的另ー错误解释是，叶片黑侧部上的热分子的较快运动提供了该推力。Crookes福射计的动作的正确解释来自于Osborne Reynolds在1879年早期提交给英国皇家学会的工作成果。他描述了由板相对侧上的温度差而导致的穿过多孔板的气流，他称之为“热流逸”。气体在均匀压カ下会从冷到热地流过多孔板。如果该板不可移动，则当在任一侧部上的压カ比 为绝对温度比的平方根时达到平衡。Reynolds的论文也讨论了 Crooks辐射计。其考虑了辐射计叶片的边缘。较热侧部的边缘会比冷边缘给倾斜碰撞的气体分子施加更大的力。这种效果导致气体移动越过边缘表面处的温度梯度。叶片从被加热的气体移向较冷的气体，同时气体沿相反的方向在叶片的边缘流过。Maxwell也引用了 Reynolds的论文，并且促使他撰写了自己的论文《On stresses in rarefied gasesarising from inequalities of temperature》。相信和批判 Ji Reynolds 的 Maxwell 的论文发表在 1879 年晚期的《Philosophical Transactions of the Royal Society》中，出现在 Reynolds 的论文出版之前。见 2006 年 Philip Gibbs 的《The Physics and RelativityFAQ)), ロ丁在 math. ucr. edu/home/baez/physics/General/LigntMill/light-mill. html 中找到。尽管Reynolds和Maxwell对表面上的热驱动气流的说明可追溯到19世纪晚期，但是还没有完全认识到由热、冷表面的交互作用而产生气体运动的可能性。Crookes辐射计的操作要求稀薄气体(即压カ远低于大气压カ的气体)，并且穿过多孔板的气流无法产生可使用的推力，这部分地缘于多孔板的厚度，部分地缘于孔在多孔板中的随机布置。
发明内容
描述了ー种可操作用于推进气体的装置。在一些实施方案中，该装置包括多个布置在堆叠中的层，用于加热和/或冷却相邻的层以形成交替的热层和冷层的机构，以及位于堆叠中的至少ー个通孔。在一些实施方案中，每个热层比直接相邻的冷层更热，并且每个冷层比直接相邻的热层更冷。每个热层的表面暴露在通孔的内部，并且每个冷层的表面暴露在通孔的内部。在其他实施方案中，该装置包括至少第一层和第二层，用于加热和/或冷却相邻的层以形成交替的热层和冷层的机构，以及穿过热层和冷层的至少ー个孔。优选地，每个热层具有沿第一方向的向内的倒角。在每个热层的倒角和通孔的中心轴之间的角为θ2。同样优选地，每个冷层具有沿与第一方向相反的第二方向的向内的倒角。在每个冷层的倒角和通孔的中心轴之间的角为Θ1Ι5在一些实施方案中，Q1和θ2之和处在从约85°到95°的范围中。
图I显示了珀尔贴板。图2显不了图I所不拍尔贴板的周围的气流特征。图3显示了封闭在具有平行的热壁和平行的冷壁的方形盒子内的气体。
图4显示了作用在具有锯齿形几何形状的纳米分子固态电カ推进器(NMSet)的堆叠上的净力。图5显示了在具有锯齿形几何形状的匪Set堆叠周围的气体粒子速度。图6显示了热隧穿增强的珀尔贴效应。图7显示了带有抛物线形几何形状的匪Set堆叠。图8显示了图7所示的匪Set堆叠周围的气流特征和气体的动量空间。图9显示了带有三角形几何形状的匪Set堆叠。图10显示了在带有三角形几何形状的匪Set堆叠周围的气体的动量空间。
图11显示了带有锯齿形几何形状的匪Set堆叠。图12显示了在带有锯齿形几何形状的匪Set堆叠周围的气体的动量空间。图13显示了带有内珀尔贴装置的匪Set的横截面图。图14显示了带有图13所示的内珀尔贴装置的匪Set的透视图。图15显示了带有外珀尔贴装置的匪Set的透视图。图16显示了带有图15所示的外珀尔贴装置的匪Set的横截面图。图17显示了带有外非珀尔贴装置的匪Set的透视图。图18显示了分级式匪Set装置的横截面图。图19显示了带有直线形几何形状的匪Set。图20显示了制造匪Set的示例性方法。图21显示了制造匪Set的另ー个示例性方法。详细说明在优选的实施方案中，这里所描述的装置可称为纳米分子固态电カ推进器(匪Set)。匪Set的操作原理使得能将匪Set用于推进、粘结和制冷的领域中，这取决于NMSet的使用方式。在优选的实施方案中，NMSet和相关的器件提供了以重量轻、紧凑和节能的方式来产生具有可调流速的气压差。推进在一些实施方案中，在推进领域中匪Set可提供ー项或多项下述改进I.改进的复原性破坏传统推进器系统中的任意区域将可能导致系统范围的故障。NMSet提供了提闻的几余度和鲁棒性。2.重量轻匪Set不需要特定的燃料，因此省去了燃料载荷。3.可缩放性传统的推进系统无法容易地缩放不能按比例缩小适于大飞行器的优化涡轮喷气发动机而得到适于小飞行器的优化涡轮喷气发动机。4.响应时间可响应于需求的变化而容易地调节来自匪Set的推力。5.能量独立性传统的推进系统要求特定类型或种类的燃料来操作，然而匪Set仅要求可由电カ产生的温度差的供应源。6.緑色推迸由于匪Set不必依靠化石燃料来操作，因此在正常操作期间其不产生污染性排放物(如一氧化碳、氮氧化物)。粘结在一些实施方案中，匪Set器件可用作轻重量的机械粘结手段。由于逆转粘结所需的唯一步骤是切断WSet的电源，因此该方法是可逆的。使用匪Set比静电粘结更能提供有利之处，这是由于匪Set不要求要被粘结的材料为平状的或为导电的。与其他机械粘结方法相比，使用匪Set可以不需要对被粘结的表面进行预处理。气体压缩由于匪Set器件可布置为驱动气体流经表面，因此全部或部分的压カ容器可用于提供气体压縮。因此在ー些设置中，可以不需要分开的泵送和承压容器。此外，由于匪Set的作用通常发生在短距离上，因此在ー些实施方案中，能够通过堆叠多级NMSet来将NMSet用作高度紧凑的压缩机。传统的推进系统通常在厘米、有时为米的长度尺度上操作。因此，堆叠传统的推进器系统趋向为复杂且昂贵的计划。相比而言，匪Set可在微米上操作。此夕卜，匪Set的多用性意味着匪Set可容易地用作高压泵、标准大气压泵，或通过足够数量的级数而用作高真空泵。NMSet 设计在ー个方面，这里所描述的匪Set和相关的器件可被认为是通过减小与匪Set接触的气体的熵而起作用。可选地，可延用器件来为气体添加能量，例如热能。在另一方面，NMSet的几何形状会影响气流的方向和使用的便利性。通过提供了显著效率増加的元件的尺度參数、具有有利的分子反射性能的材料、几何形状和/或布置的结合使用，可将匪Set和相关器件与之前的热流逸器件等区别开来。这里所描述的是具有所讨论的这些和其他參数的匪Set的不同示例性实施方案，在优选的实施方案中，所述匪Set可以最小的热力学损失产生在特定方向中的强气流。通过匪Set减小气体的熵可由气体的动量空间k中的变换A来表示。一旦为动量空间k选择了一组适当的基吋，A便可以矩阵来表达。如果变换后的动量空间Ak的期望值为非零，则由于动量守恒，匪Set会经受在与期望值的相反方向中的净动量。为了有效的运行，可以优化匪Set的几何形状。匪Set的几何形状将影响变换矩阵A。产生基本上等于单位矩阵I的矩阵A的几何形状不产生净动量偏置(即，将不会使经变换的动量空间Ak具有非零的期望值)。相反，会产生气体漩涡。导致A的较大特征值的几何形状趋向于更有效的运行，例如，在特定方向中运动的气体粒子会携带更大的动量。作为ー个实施例，假设珀尔贴板100浸入气体中，如图I所示。该珀尔贴板100包括上层101和下层102。为简单起见，可參考笛卡尔坐标系，其中y轴从下层102指向上层101。通过处在层之间的珀尔贴器件(未示出)或任何适当的方式来建立温度差，使得上层101比气体更冷，并且下层102比气体更热。不希望受限于任何特定的理论，珀尔贴效应不表现出将净热传到气体中，由珀尔贴板100导致的到气体的动量空间k的变换可由Hermetian矩阵A来表示。当气体粒子(分子或原子)碰撞下层102吋，假设碰撞是非绝热的，则气体粒子将以比碰撞前更高的速度弹开。当气体粒子碰撞上层101吋，假设碰撞是非绝热的，则气体粒子以比碰撞前更低的速度从上层101弹开。珀尔贴板100会受到从下层102指向上层101的净力，即沿y方向的净力。换句话说，下层102加热并因此提高了在下层102之下的气体压力，而上层101冷却并因此降低了在上层101之上的气体压力。该压力差向上驱动珀尔贴板100。就气体的动量空间k的变换而言，由于从上层101弹开的气体粒子以带有比从下层102弹开的气体粒子更小动量的方式而离开，变换后的动量空间Ak优选在-y方向中变得失真，即变换后的动量空间Ak的期望值P为非零的，并且指向_y方向。 假设气体和珀尔贴板100构成封闭的系统(即不与其他物体相互作用)，则珀尔贴板100会获得动量-P，以使封闭系统的总动量守恒。虽然图I所示几何形状的珀尔贴板100确实会产生升力，其不能实际使用的原因是
I.如果珀尔贴板100较大，则珀尔贴板100沿y方向的平移运动会迫使气体一直在珀尔贴板的边缘环流。2.大量的热通过气体对流从珀尔贴板100的表面传出。3.接近表面的气体具有隔热作用。除了板边缘的附近，珀尔贴板100和气体之间的动量传递的效率不高，如图2所示。4.拍尔贴板100的表面区域为其凸壳的表面区域。所有这些问题涉及到ー个核心问题，S卩非常少的气体会具有任何直接的面接触。因此，较为复杂的几何形状是有利的。下面将描述具有三种不同几何形状的示例性实施方案。操作原理尽管可以有许多不同几何形状的匪Set或相关器件，但是匪Set的操作原理仍然相同。不希望限于任何特定的理论，操作使用能量来减小一些器件表面上的熵，并且将降低的熵传递到与表面接触的气体中。器件可任选地通过升高气体的温度来给气体提供能量。因此，匪Set的功能可分为三个方面降低器件表面上的熵的手段、将降低的熵传递到气体中的手段，以及提高气体温度的可选手段。温度差通常需要材料层之间的温度差用以NMSet或相关器件的操作。在这里所描述的优选实施方案中，可在固态电カ机构即匪Set的“Se”中建立温度差。但是，这里所描述的器件和方法不限于电子或纯固态器件。例如，可使用流体冷却剤、放热化学反应或其他化学源通过传导来自燃烧的热而建立温度差。可通过简单的电阻加热、珀尔贴效应、热隧穿增强的珀尔贴效应或其他适当的方式来建立温度差。在两个物体之间建立温度差的方式可由两个特征进行表象地描述熵减(两个物体之间的热传递)和导热(在环境和两个物体之间的整体热传递)。在一个实施方案中，可采用珀尔贴效应来建立温度差。当在由在两个接合点处连接的具有不同珀尔贴系数的两种材料构成的回路中施加电流时，就会发生珀尔贴效应。取决于电流的方向，热从ー个接合点流到另ー个接合点，导致在接合点之间建立温度差。珀尔贴效应可如下地理解材料中载流子的热容由珀尔贴系数Π表示，其是材料中每单位载流子携帯的热量。当电流I流经具有珀尔贴系数Π A的材料A与具有珀尔贴系数Π B的材料B的接合处时，在单位时间内载流子携帯的到接合点处的热量为IX ( Π Α_ Π Β)。珀尔贴效应会局部地减小熵，并且是绝热的。假设可忽略焦耳热，在珀尔贴效应中，热从ー个接合点传送到另ー个处，但是没有热被添加到两种材料的回路中。这种熵减可在匪Set和相关器件的堆叠性方面提供优点。因此，珀尔贴效应使其能非常好地用于ー些实施方案。在这种实施方案中，电源在两个表面之间驱动电流。载流子例如电子和/或空穴随其在电流中流动而携带热，并且因此在两个表面之间产生温度差。随着温度差的建立，降低了熵。
声子流会降低通过珀尔贴效应建立的温度差。如果允许声子自由流动(即无限的导热系数或零热容)，声子流 将使珀尔贴效应建立的温度差消失。通过降低电阻和热传导，可以提闻拍尔贴效应的效率。一种降低热传导的方法是在电流路径中设置窄的真空间隙。声子不会容易地穿过真空间隙，但是载流子在一定电压下可穿过真空间隙。这称之为热隧穿增强的珀尔贴效应(或热隧穿冷却)。图6显示了热隧穿增强的珀尔贴效应的图。载流子601可隧穿真空间隙 602。除非通过选择能限制载流子接近真空间隙的行为并提高隧穿几率的表面几何形状和材料来进行增强，否则通常仅在高温或高电压处热隧穿增强的珀尔贴效应才是显著的。例如，适当的表面涂层和结构可用作不允许低能态的载流子接近真空间隙、而仅允许高能态的载流子接近真空间隙的过滤器。在另ー实施方案中，可通过场增强的热电子发射来产生并保持温度差。热电子发射是载流子越过势能垒的热诱导流。载流子可为电子或离子(即热离子)。在一种简单的近似中，势能垒类似于大坝，其阻挡具有低于其高度的热能的载流子，而允许具有高于其高度的热能的载流子越过。当溢流的载流子越过势能鱼时，热量随之被带走。留在势能鱼后面的载流子再热化(再分配能量)到较低的温度。热电子发射典型地要求几百摄氏度的操作温度，使得不可忽略的一部分载流子具有足以越过势能垒的热能。电场可通过降低势能垒的高度和降低所要求的操作温度来辅助热电子发射。也可通过使用电阻加热和/或通过适当的化学过程在NMSet或相关器件中建立温度差。为了保持该温度差而不升高器件的整体温度，也可提供ー些冷却装置，例如暴露在大气中的热壑。不论使用何种冷却装置，如果器件的较热表面没有像较冷表面一样有效地冷却(这例如可通过绝热来实现)，则温度差会更加显著。力的产生在ー个方面中，净推力的产生可认为是减小的熵从已建立的温度差到气体的传递。不希望被理论所约束，将在气体中操作的单个器件看做绝热过程。在这种实施例中，热层和冷层之间的温度差可通过适当的方式、如珀尔贴效应来建立。为简单起见，假设在气体和器件之间没有净热量传递。气体粒子将以相同的几率碰撞热层和冷层，并且其与这些层的相互作用将对接近热层和冷层表面的气体的局部动量空间产生影响。当气体和表面具有不同的温度吋，非常接近热层和冷层表面的气体的局部动量空间具有非零的期望值。还假设没有气体粒子渗入表面，气体粒子以不同于其入射动量的动量从表面弹回，这使得动量空间沿表面法向倾斜，并且倾斜的程度直接相关于表面和气体之间的温度差。在具有随机几何形状(即在不同表面位置处的表面法向指向随机方向)的设置中，气体的局部动量空间的期望值的加权和接近零，这导致几乎没有净推力。然而在具有优化的几何形状的匪Set中，气体的局部动量空间的期望值的加权和可不为零，这会导致净推力。如上文所述，在图I中显示了具有非零净推力的设置的一个简单例子。这种几何形状不是非常有效的，这是由于宏观对流气流和漩涡形成増加了熵，并且限制了有用功的量。在图2中显示了示例性的对流气流120、130。处在环境温度110下的气体流向冷层101并且变冷。冷却的气流120从冷层101移开，并且在珀尔贴板100边缘的周围流向热层102。被加热的气流130从热层102移开。为了简化描述，根据牛顿第二定律和气体动量理论来考虑该系统是有帮助的。在图I和2所示珀尔贴板100的周围，假设气体的温度由层101和102的温度来界定，与层101碰撞的气体粒子以比碰撞前更大的动量离开层101。类似地，与层102碰撞的气体粒子以比碰撞前更小的动量离开层102。由于气压与气体粒子的动量直接相关，因此接近层102的气体比接近层101的气体具有更高的压力。这种压力偏置沿y方向推动整个板100。在另ー实施方案中，珀尔贴板100可具有至少ー个处在层101和102之间的通孔。气体自发地从层102穿过孔流到层102，这使得气体有较高的加热速率。这种气流称之为热流逸。假设接近层101的气体具有 温度T。和压カP。，并且接近层102的气体具有温度Th和压カPh，那么如果满足下式及,[I]则热流逸会导致气体从层101穿过孔流到层102。为了提高效率，理解气流中何处存在经典极限是有帮助的。在Knudsen数消失的长度尺度周围，气流的对流描述中断。结果，在ー些方面中，在确定匪Set的有利几何形状中，气体的平均自由程变成有用的參数。例如，假设特定压カ下的气体具有IOnm的平均自由程。如果将这种气体的团局限在20nmX20nm的ニ维正方形盒子中，如图3所示，那么气体粒子在IOnm的行程内将几乎如撞击其他气体粒子ー样可能地撞击盒子的壁。如果盒子的壁被加热，那么其中较小的盒子将会比较大的盒子更快地到达与气体之间的热力学平衡，这是由于较小盒子内的气体粒子有更多的机会撞击壁并与壁进行热交換。通常来说，当气体中的大多数碰撞为气体粒子和表面之间的碰撞时，那么大约可在平均自由时间(气体粒子飞过平均自由程所花费的时间)内达到热力学平衡。由于这种原因，在一些实施方案中，匪Set和相关器件的各自特点的特征尺度可为纳米尺度，即NMSet中的“NM”。但是必须理解，这里所描述的方法和器件不限于纳米尺度的实施方案。平均自由程參数取决于气体密度，因此在ー些实施方案和使用中可以使用较大尺度的特征。此外如这里所描述地，可将多个NMSet和相关器件的元件组合起来，以便在较大的表面上提供作用。例如，可将NMSet或相关器件有利地布置成阵列和嵌套式阵列，以便在较大的表面上提供气体的定向运动，如图16和17所示的实施例。也可将匪Set或相关器件元件布置成ー级或多级，以达到较大的压カ差，如图18A-18D所示的实施例。图18A显示了分级式匪Set或相关器件的装置1800的阵列的横截面图。每级装置1800包括多个级1810、1820、1830，其形式为如图18B-18D中以放大图说明的包括有NMSet或相关器件1840、1850、1860的同心半球。根据操作中将在各个后续级处所经历的降低的环境压力，各级中的相应NMSet孔1845、1855、1865的尺寸増大。表面相互作用表面之间的相互作用可影响动量空间的变换矩阵A。如果邻近表面可容易地通过气体粒子来交換声子，则这些表面处的熵将以比不容易地通过漩涡形成而交换声子的表面处的熵更高的速率増加。这通常将降低系统的效率。降低声子交換的ー种方法是限制或消除表面之间的任何共用基础。例如，假设气体粒子处在图3所示的盒子300中。盒子300包括两个彼此平行的平面的热壁302，以及两个彼此平行并垂直于壁302的平面的冷壁301。如果盒子300的尺寸与其中的气体粒子的平均自由程相当，并且壁301和302是完美的镜面，则气体粒子可独立地与冷壁301和热壁302之间达到热平衡。这是由于仅在两个冷壁301或两个热壁302之间共享壁的表面法向，但是不在冷壁301和热壁302之间共享。因此，不会通过气体粒子在热壁302和冷壁301之间交换动量。这是由于气体粒子和冷壁301之间的相互作用仅影响X方向中的动量，而不影响y方向中的动量；并且气体粒子和热壁302之间的相互作用仅影响y方向中的动量，而不影响X方向中的动量，以及X方向中的动量正交于I方向中的动量的事实。在气体粒子和壁之间达到热平衡之后，气体粒子在X方向中比在I方向中运动地更快。实际上，表面通常不是完美的镜面。但是，在ー些材料中存在非常強烈的镜面性质，使得有ー些角度可以降低对于角落中的对流。当Knudsen数较大时通常会观察到这种效果，对于匪Set和相关器件来说这是优选的条件，特别是在纳米尺度的实施方案中。以丹麦物理学家Martin Knudsen (1871-1949)命名的Knudsen数(Kn)是定义为分子平均自由程与代表性的物理长度尺度之比的无纲量数。在这里所描述的匪Set或相关器件中，该代表性的物理长度尺度取为器件孔径的数量级，即如果孔以纳米測量则相应的物理尺度长度为纳米，而如果孔以微米測量则为微米。在使用这里所公开的器件的优选实施方案中，Knudsen数优选地大于O. I,或大于1，或大于10。优化匪Set和相关器件的方法建模可通过Monte-Carlo方法来模拟带有特定几何形状的匪Set的性能，以便进行优化。具体地说，用于带有任何给定几何形状的NMSet或相关器件的模拟从器件周围的具有随机的初始位置和动量的气体粒子组开始。使用已知的物理定律、參数例如温度、压力、化学特性、器件的几何形状、器件表面和气体粒子之间的相互作用由初始位置和动量来计算在一小段时间间隔之后这些粒子的位置和动量。该模拟通过选定数量的迭代来运行，并且分析模拟結果。使用模拟结果来优化器件的几何形状。在优选的实施方案中，使用模拟分析的结果来构建器件。在一个优选的实施方案中，模拟可表示为下面表格
权利要求
1.一种操作用于推进气体的装置，包括 布置在堆叠内的至少第一层和第二层，以及用于加热和/或冷却第一层和第二层以形成热层和冷层的器件，其中所述冷层具有比所述热层更低的温度；和， 位于所述堆叠内的至少一个通孔； 其中 每个热层的表面暴露在所述通孔的内部；并且 每个冷层的表面暴露在所述通孔的所述内部； 并且其中 所述通孔的整体长度最高可达到所述装置浸入于其中的气体的平均自由程的10倍，和/或不大于1500nm。
2.根据权利要求I所述的装置，其特征在于，用于加热和冷却第一层和第二层的器件为珀尔贴器件或场增强热电子发射器件。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述珀尔贴器件或场增强热电子发射器件布置在所述第一层和第二层之间。
4.根据权利要求I所述的装置，其特征在于，所述热层由电阻加热器、化学反应和/或辐射中的一种或多种方式来加热。
5.根据权利要求I所述的装置，其特征在于，所述通孔具有从堆叠的上部面到下部面逐渐变大的横截面积；所述通孔内部的每个冷层的暴露表面基本上平行于所述通孔的中心轴；所述通孔内部的每个热层的暴露表面基本上垂直于所述通孔的中心轴。
6.根据权利要求I所述的装置，其特征在于，每个热层具有在第一方向中朝向里的倒角，每个热层的倒角和通孔的中心轴之间的角为Θ 2 ； 每个冷层具有在与第一方向相反的第二方向中朝向里的倒角，每个冷层的倒角和通孔的中心轴之间的角为Θ I ;并且 0:与θ2之和为85°到95°。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，Θ2为70到85°。
8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，每个热层具有厚度th，每个冷层具有厚度t。，并且th与t。之比基本上等于02的余切与Q1的余切之比。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，tc大于th。
10.根据权利要求I所述的装置，其特征在于，在热层和冷层之间布置有间隙。
11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述间隙包括衬垫元件。
12.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述衬垫元件包括压电材料。
13.根据权利要求I所述的装置，其特征在于，所述通孔沿其整体长度具有一致的尺寸。
14.根据权利要求13所述的装置，其特征在于，所述通孔具有圆形、狭缝形或蜂窝形的横截面形状。
15.根据权利要求13所述的装置，其特征在于，所述装置在每平方厘米上具有至少十个通孔，和/或装置在每平方厘米上的所有通孔的总周长为至少两厘米。
16.一种包括一系列根据权利要求I所述的装置的装置，其特征在于，所述系列布置为使得热层和冷层形成了热层和冷层的交替堆叠，每个热层比直接相邻的冷层更热，每个冷层比直接相邻的热层更冷，以及至少一个通孔对齐地穿过堆叠。
17.根据权利要求16所述的装置，其特征在于，所述系列的各元件的通孔的直径从堆叠的上部面到下部面逐渐不同。
18.一种使用根据权利求I所述的装置的方法，包括将装置暴露在处于环境温度和压力下的气体中，并且激活用于加热和/或冷却交替层的器件，以形成交替的热层和冷层，从而推动气体穿过通孔。
19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，每个热层比气体的环境温度更热，并且每个冷层比气体的环境温度更冷。
20.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所有热层和冷层的平均温度与气体的环境温度基本上相同。
21.一种制造根据权利要求I所述的装置的方法，包括 对根据权利要求I所述的装置进行模拟，所述装置具有特定选择的起始几何形状布置的通孔和层，所述模拟包括初始化在被模拟装置周围的具有随机初始位置和动量的模拟气体粒子组，使用已知的物理定律从初始位置和动量中计算这些粒子在一小段时间间隔之后的位置和动量，通过选定次数的迭代来重复计算，并且通过所述模拟来分析气体粒子的位置和动量， 在所限定的搜索空间内修正器件的几何形状布置，并且通过选定数量的迭代进行另一模拟， 确定与所述起始几何形状相比能更有效地推进气体粒子通过所模拟的装置的几何形状布置； 制造具有所确定的几何形状布置的装置。
全文摘要
本发明涉及一种能够通过热电微元件施加定向动量的固态器件。采用大的表面积来增强传热效率。本器件可在绝热模式下操作以减小热发射。
文档编号F23R3/42GK102639940SQ201080049375
公开日2012年8月15日 申请日期2010年9月3日 优先权日2009年9月3日
发明者皮欧特·A·贾巴兹, 詹森·D·桑切斯 申请人:游戏变革者有限责任公司