Нанокриогенная система на базе пульсационной трубы

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 содержит узел создания пульсаций давления, теплообменники нагрузки, отвода теплоты и регенератор, дроссельные отверстия, пульсационную трубу и резонансную емкость. Узел создания пульсаций давления выполнен из фуллеренов или нанотрубок, изменяющих свои размеры под действием электрического поля. Теплообменники нагрузки и отвода теплоты выполнены из нанотрубок. Регенератор выполнен из вложенных нанотрубок. Дроссельные отверстия образованы местными сужениями нанотрубок. Пульсационная труба и резонансная емкость выполнены из фуллеренов или 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 криогенные системы (КС) на базе пульсационной трубы, содержащие узлы создания пульсаций давления, резонансную емкость, 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 на базе пульсационной трубы при решении задач криостатирования микро- и нанообъектов имеют ряд существенных недостатков, обусловленных принципиальным несоответствием массогабаритных характеристик КС и охлаждаемого 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, направленные 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, выполненными на базе пульсационной трубы, позволяет существенно уменьшить охлаждаемую массу, сократить время достижения температуры 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 на базе пульсационной трубы, содержащей узел создания пульсаций давления, теплообменники нагрузки, отвода теплоты и регенератор, дроссельные отверстия, а также пульсационную трубу и резонансную емкость, особенность заключается в том, что узел создания пульсаций давления выполнен из фуллеренов или нанотрубок, изменяющих свои размеры под действием электрического поля, теплообменники нагрузки и отвода теплоты выполнены из нанотрубок, и регенератор выполнен из вложенных нанотрубок, причем дроссельные отверстия образованы местными сужениями нанотрубок, а пульсационная труба и резонансная емкость выполнена из фуллеренов или нанотрубок.

Отличительной особенностью заявляемого технического решения является то, что выполнение КС на базе пульсационной трубы 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 узла создания пульсаций давления. 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 варианта КС на базе пульсационной трубы, представленная на чертеже.

КС представляет собой замкнутый объем, заполненный газом-теплоносителем (гелием) и образованный последовательно соединенными внутренними объемами узла создания пульсаций давления 1, выполненного из фуллерена из нанотрубок, изготовленных из нанотрубок теплообменников отвода теплоты 2 и 6, регенератора 3, выполненного из вложенных нанотрубок, теплообменника нагрузки 4 и пульсационной трубы 5, выполненных из нанотрубок, выполненной из фуллерена резонансной емкости 7, а также из перепускной линии из нанотрубки 8 с дроссельными отверстиями.

При работе КС узел создания пульсаций давления 1, изменяя свой объем под действием переменного электрического поля, создает знакопеременный перепад давлений между своей рабочей полостью и резонансной емкостью 7. При перемещении рабочего газа под действием генерируемого перепада давлений в теплообменнике нагрузки 4 происходит поглощение теплоты на температурном уровне Тх, а в теплообменниках отвода теплоты 2 и 6 происходит отвод теплоты в окружающую среду на температурном уровне Тос. Необходимый для функционирования КС сдвиг фаз между колебаниями давления и расхода рабочего газа в элементах системы создается за счет сопротивлений линий газового тракта и перепускной линии 8 с дроссельными отверстиями.

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

Криогенная система на базе пульсационной трубы, содержащая узел создания пульсаций давления, теплообменники нагрузки, отвода теплоты и регенератор, дроссельные отверстия, а также пульсационную трубу и резонансную емкость, отличающаяся тем, что узел создания пульсаций давления выполнен из фуллеренов или нанотрубок, изменяющих свои размеры под действием электрического поля, теплообменники нагрузки и отвода теплоты выполнены из нанотрубок и регенератор выполнен из вложенных нанотрубок, причем дроссельные отверстия образованы местными сужениями нанотрубок, а пульсационная труба и резонансная емкость выполнены из фуллеренов или нанотрубок.