Нанокриогенная система, работающая по циклу стирлинга

Изобретение относится к криогенной технике и может быть использовано при проектировании и производстве криогенных систем, предназначенных для поддержания на криогенном температурном уровне объектов микроэлектроники, экспериментальной физики, биологических исследований, а также нанотехнических устройств микро- и нанометровых размеров. Криогенная система работает по циклу Стирлинга. В состав системы входят узлы сжатия и расширения, теплообменники нагрузки, отвода теплоты и регенератор. Узел сжатия выполнен из фуллерена, изменяющего свой объем под действием импульсного нагрева или электрического поля. Узел расширения выполнен из фуллеренов или нанотрубок, изменяющих свои размеры под действием электрического поля. Теплообменники нагрузки, отвода теплоты и регенератор выполнены из однослойных или вложенных нанотрубок. Технический результат при осуществлении изобретения заключается в качественном уменьшении габаритов, массы и энергопотребления КС до уровня, на котором величина холодопроизводительности оказывается минимально достаточной для поддержания объекта охлаждения на требуемом криогенном уровне температур. 1 ил.

 

Изобретение относится к криогенной технике и может быть использовано при проектировании и производстве криогенных систем, предназначенных для поддержания на криогенном температурном уровне объектов микроэлектроники, экспериментальной физики, биологических исследований, а также нанотехнических устройств микро- и нанометровых размеров.

Известны криогенные системы (КС), работающие по циклу Стирлинга и содержащие узлы сжатия и расширения, теплообменники нагрузки, отвода теплоты и регенератор (см. Справочник по физико-техническим основам криогеники. Под редакцией проф. М.П.Малкова, М., Энергоатомиздат, 1985, с.54-69).

Известные КС Стирлинга при решении задач криостатирования микро- и нанообъектов имеют ряд существенных недостатков, обусловленных принципиальным несоответствием массогабаритных характеристик КС и охладаемого объекта.

1. Высокий уровень теплопритоков к низкотемпературным элементам КС и, как следствие, большие непроизводительные затраты холода на компенсацию этих теплопритоков и потребляемая при этом мощность.

2. Большая охлаждаемая масса низкотемпературных элементов КС, на несколько порядков превышающая массу охлаждаемого объекта, определяет большое время достижения температурой охлаждаемого объекта заданного криогенного уровня.

3. Возможности снижения массы и габаритов КС, направленного на минимизацию названных недостатков ограничены принципиальными трудностями конструкционного и технологического характера: сложности изготовления сверхминиатюрных элементов КС и их сборки, ограниченные прочностные и теплофизические характеристики традиционных конструкционных материалов и ряд других.

Наиболее близкой к заявляемому техническому решению является КС, содержащая дроссельный криогенный узел, выполненный непосредственно в подложке микросхемы (см. Криогенные системы, т.2, Основы проектирования аппаратов, установок и систем. Под общей редакцией А.М.Архарова и А.И.Смородина, М., Машиностроение, 1999, с.698), принятый за прототип. Данное техническое решение, по сравнению с известными КС, позволяет существенно уменьшить охлаждаемую массу, сократить время достижения температурой криостатируемого объекта рабочего уровня (время выхода на режим), улучшить энергетические и массогабаритные показатели системы "КС - объект охлаждения".

Основным недостатком этого технического решения является необходимость использования достаточно крупногабаритных и энергоемких источников рабочего газа (баллон или компрессор), многократно превышающих по габаритам и массе соответствующие параметры объекта охлаждения.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в повышении технической и экономической эффективности процесса криостатирования объектов микро- и нанометровых размеров.

Технический результат при осуществлении изобретения заключается в качественном уменьшении габаритов, массы и энергопотребления КС до уровня, на котором величина холодопроизводительности оказывается минимально достаточной для поддержания объекта охлаждения на требуемом криогенном уровне температур.

Указанный технический результат для осуществления изобретения достигается тем, что в известной криогенной системе, работающей по циклу Стирлинга и содержащей узлы сжатия и расширения, теплообменники нагрузки, отвода теплоты и регенератор, узел сжатия выполнен из фуллерена, изменяющего свой объем под действием импульсного нагрева или электрического поля, узел расширения выполнен из фуллеренов или нанотрубок, изменяющих свои размеры под действием электрического поля, а теплообменники нагрузки, отвода теплоты и регенератор выполнены из однослойных или вложенных нанотрубок.

Отличительной особенностью заявляемого технического решения является то, что выполнение КС Стирлинга в соответствии с перечисленными признаками позволяет качественно уменьшить габариты КС до микро- и нанометровых размеров, а свойство наноструктур изменять свои размеры под действием электрического поля или импульсного нагрева используется для реализации функций узлов сжатия и расширения рабочего газа. При этом может быть обеспечено оптимальное соответствие габаритов и конфигурации теплообменника нагрузки КС условиям его стыковки с охлаждаемым объектом, благодаря чему непроизводительные затраты холодопроизводительности и потребляемая мощность оказываются сведенными к минимуму.

Таким образом, при реализации предлагаемого технического решения принципиально уменьшается масса, габариты и энергопотребление КС, величина охлаждаемой массы КС снижается до уровня массы охлаждаемого объекта, создаются условия для качественного улучшения тепловой стыковки КС и охлаждаемого объекта, сокращается время достижения температурой охлаждаемого объекта заданного уровня и снижаются непроизводительные затраты полезной холодопроизводительности и потребляемой мощности.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявитель не обнаружил аналог, характеризующийся признаками, тождественными (идентичными) всем существенным признакам заявленного изобретения. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволило установить совокупность существенных, по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату, отличительных признаков в заявленном способе, изложенных в формуле изобретения, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения критерию "новизна".

Дополнительный поиск известных решений, проведенный с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявляемого способа, показал, что заявляемое изобретение не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, определенного заявителем. Это позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию "изобретательский уровень".

Сущность заявляемого технического решения поясняет принципиальная схема варианта КС, работающей по циклу Стерлинга, представленная на чертеже.

КС представляет собой замкнутый объем, заполненный рабочим газом (гелием) и образованный последовательно соединенными внутренними объемами узлов сжатия 1 и расширения 5, выполненных из фуллеренов, изготовленных из нанотрубок теплообменников отвода теплоты 2 и теплообменника нагрузки 4 и регенератора 3, выполненного из вложенных нанотрубок.

При работе КС узел создания пульсаций давления 1 и узел расширения рабочего газа 5, изменяя свои объемы под действием переменных электрических полей, взаимно сдвинутых по фазе, обеспечивают перемещение рабочего газа внутри полости КС и реализацию обратного термодинамического цикла Стирлинга. При этом в теплообменнике нагрузки 4 происходит поглощение теплоты на температурном уровне Тх, а в теплообменнике отвода теплоты 2 происходит отвод теплоты в окружающую среду на температурном уровне Тос.

Для доведения заявляемого технического решения до промышленного использования на предприятии требуется проведение комплекса научно-технических, расчетных, экспериментальных и проектировочно-конструкторских работ.

Криогенная система, работающая по циклу Стирлинга и содержащая узлы сжатия и расширения, теплообменники нагрузки, отвода теплоты и регенератор, отличающаяся тем, что узел сжатия выполнен из фуллерена, изменяющего свой объем под действием импульсного нагрева или электрического поля, узел расширения выполнен из фуллеренов или нанотрубок, изменяющих свои размеры под действием электрического поля, а теплообменники нагрузки, отвода теплоты и регенератор выполнены из однослойных или вложенных нанотрубок.