Магнитокалорическая или электрокалорическая нанокриогенная система

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. Магнито- или электрокалорическая криогенная система содержит твердое рабочее тело, теплообменники нагрузки и отвода теплоты, реверсивные узлы прокачки теплоносителя. Блоки твердого рабочего тела сформированы в виде углеродных нанотрубок или нанотрубок с замещением атомов углерода атомами редкоземельных элементов. Реверсивные узлы прокачки теплоносителя выполнены на фуллеренах или нанотрубках, изменяющих свой объем под действием электрического поля. Теплообменники нагрузки и отвода теплоты выполнены из однослойных или вложенных нанотрубок. Технический результат - качественное уменьшение 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 магнитокалорические и электрокалорические криогенные системы (КС), содержащие твердое рабочее тело, в котором реализуется магнито- или электрокалорический эффект, теплообменники и реверсивный узел прокачки теплоносителя (см. Справочник по физико-техническим основам криогеники. Под редакцией проф. М.П.Малкова, М., Энергоатомиздат, 1985, с.54-69).

Общими недостатками известных магнито- и электрокалорических КС при решении задач криостатирования микро- и нанообъектов являются:

- высокий уровень непроизводительных затрат холодопроизводительности, обусловленный большой охлаждаемой массой (низкотемпературные элементы собственно КС, система теплоизоляции, система коммуникаций охлаждаемого объекта с «теплыми» приборами и устройствами) и высоким уровнем теплопритоков к элементам КС, которые на несколько порядков превышают массу объекта охлаждения и уровень теплопритоков к нему;

- относительно большое время достижения охлаждаемым объектом рабочих криогенных температур, полностью определяемое временем охлаждения массы «холодных» элементов КС.

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, включая и магнитокалорические и электрокалорические 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 магнито- или электрокалорической криогенной системе, содержащей твердое рабочее тело, в котором реализуется магнито- или электрокалорический эффект, теплообменники нагрузки и отвода теплоты и реверсивные узлы прокачки теплоносителя, твердое рабочее тело сформировано в виде углеродных нанотрубок или нанотрубок с замещением атомов углерода атомами редкоземельных элементов, реверсивные узлы прокачки теплоносителя выполнены на фуллеренах или нанотрубках, изменяющих свой объем под действием электрического поля, а теплообменники нагрузки и отвода теплоты выполнены из однослойных или вложенных нанотрубок.

Отличительной особенностью заявляемого технического решения является то, что выполнение магнито- или электрокалорической КС 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 используется для реализации функций реверсивного узла прокачки теплоносителя. При этом может быть обеспечено оптимальное соответствие габаритов и конфигурации теплообменника нагрузки КС условиям его стыковки с охлаждаемым объектом, благодаря чему непроизводительные затраты холодопроизводительности 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 температуры охлаждаемого объекта заданного уровня и снижаются непроизводительные затраты полезной холодопроизводительности.

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 устройстве, 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 устройства, 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 КС, представленная на чертеже.

КС представляет собой замкнутый объем, заполненный газом-теплоносителем (гелием) и образованный последовательно соединенными внутренними объемами реверсивных узлов прокачки теплоносителя 1 и 2, выполненных из фуллеренов или иных наноструктур, изготовленных из нанотрубок теплообменников отвода теплоты 3 и 4, блоков магнито- или электрокалорического твердого рабочего тела 5, 6, теплообменника нагрузки 7 и источника питания (не показан).

При работе в первом полупериоде рабочего цикла КС источник питания подает сдвинутое по фазе переменное напряжение на реверсивные узлы прокачки теплоносителя 1 и 2, в которых осуществляется генерация перепада давления теплоносителя. Под действием этого перепада давлений теплоноситель проходит через теплообменник отвода теплоты 3 и поступает в блок твердого рабочего тела 5, проходя через который охлаждается и попадает в теплообменник нагрузки 7 при температуре Тх. Активное поглощение теплоты происходит в блоке твердого рабочего тела 5 при снятии магнитного поля, создаваемого электрическим током, протекающим через нанотрубку блока 5 под действием напряжения, подводимого блоком питания. При дальнейшем движении теплоноситель попадает во второй блок твердого рабочего тела 6, находящийся в фазе намагничивания под действием электрического тока, протекающего через нанотрубку блока 6, и охлаждает его. При этом в теплообменнике 4 происходит отдача теплоносителем теплоты в окружающую среду на температурном уровне Тос. Вторая полуфаза рабочего цикла протекает аналогично при изменении фаз переменных напряжений, создаваемых источником питания и смене направления движения теплоносителя.

Электрокалорическая КС работает аналогичным образом и отличается тем, что на блоки твердого рабочего тела осуществляется воздействие переменным электрическим полем.

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

Магнито- или электрокалорическая криогенная система, содержащая твердое рабочее тело, в котором реализуется магнито- или электрокалорический эффект, теплообменники нагрузки и отвода теплоты и реверсивные узлы прокачки теплоносителя, отличающаяся тем, что блоки твердого рабочего тела сформированы в виде углеродных нанотрубок или нанотрубок с замещением атомов углерода атомами редкоземельных элементов, реверсивные узлы прокачки теплоносителя выполнены на фуллеренах или нанотрубках, изменяющих свой объем под действием электрического поля, а теплообменники нагрузки и отвода теплоты выполнены из однослойных или вложенных нанотрубок.