Патент США 5 714 829 Автор Guruprasad 3 февраля 1998 Электромагнитные тепловые машины и метод охлаждения системы с заданными импульсами теплового рассеяния. Реферат Магнитные тепловые машины, непосредственно преобразовывающие тепло в электричество, используют эдс, наводимую при перемагничивании. Произведенная энергия проявляет себя как отрицательное сопротивление, и можно использовать практически любой вид и форму магнитной среды. Электромагнитные машины также нечувствительны к неоднородному нагреву, бесконтактные и немеханические, их легко моделировать и проектировать, работают на высоких частотах. Машины являются подходящими для обеспечения местного нагрева, охлаждения без жидких теплоносителей, эффективного охлаждения криогенных компонентов, синхронного охлаждения цифровых цепей, полностью твердотельной генерации энергии и усовершенствования эффективности и контроля энергоустановок. Изобретатели: Guruprasad; Venkata (35 Oak St., Apt. 86, Brewster, NY 10509-1430) Рег. номер: 370809 Подан: 10 января 1995 Классификация США: 310/306 Междунар. Классификация: H02N 010/00 Область Поиска: 310/306,68 C 361/676,688 136/205 Процитированные Ссылки Патенты США 396121 январь 1889 Tesla 310/306. 476983 июнь 1892 Edison 310/306. 481999 сент., 1892 Berliner 310/306. 2391313 декабрь 1945 Hindle 310/306. 3776780 декабрь 1973 Kanter 136/228. 3790829 февраль 1974 Roth 310/306. 4447736 май., 1984 Katayama 290/1. 4730137 март 1988 Vollers 310/306. 5012325 апрель 1991 Mansuria и другие. 257/713. 5419780 май., 1995 Suski 136/205. Другие Ссылки Spring, K.H., "Chapter 6: Miscellaneous Conversion Methods", Direction Generation of Electricity, Academic Press, pp. 360-387 (1965). Zemensky, Mark W., "Chapter 9: Карно Cycle and Kelvin Temperature Scale", Heat and Thermodynamics, McGraw Hill, pp. 160-161 (1957). Callen, Herbert B., "Chapter 14: Magnetic and Electric Systems", Thermodynamics, John Wiley & Sons, pp. 238-243 (1960). Tribers, Myron, "Chapter 15: The Introduction of Variables Other than Pressure", Thermostatics and Thermodynamics, Van Nostrand, pp. 542-547 (1961). Rosenweig, Ron E., "Magnetocaloric Energy Conversion", Ferrofluids, Exxon Res., Clinton, New Jersey, Cambridge Univ. Press, pp. 161-176 (1985). J.R. Trueblood et al., "A Vertically Reciprocating NBTI Solenoid Used in a Regenerative Magnetic Refrigerator", IEEE Transactions on Magnetics, vol. 27, No. 2, pp. 2384-2386, (Mar. 1991). J.R. Row et al., "Conductively Cooled Nb.sub.3 Sn Magnet System for a Magnetic Refrigerator", IEEE Transactions on Magnetics, vol. 27, No. 2, pp. 2377-2380 (Mar. 1991). F.J. Cogswell et al., "A Regenerative Magnetic Refrigerator operating between Liquid Helium and Liquid Hydrogen Reservoirs", IEEE Transactions on Magnetics, vol. 24, No. 2, pp. 1011-1014 (Mar. 1988). Pendick, Daniel, "Magnetism's Cool Act", New Scientist, pp. 21-23 (Sep. 10, 1994). Taubes, Gary, "Faster Isn't Always Better", IBM Research Magazine, No. 3, pp. 18-23 (1994). Feyman, Lectures, vol. II. sections 35 and 36 (1965). A.J. Dekker, Solid State Physics, chapter 18 (pp. 446-447, 460-461) and chapter 20 (pp. 498-505, 518, 519), Prentice-Hall (1957). Enrico Fermi, Thermodynamics, Introduction (p. X), Dover Republication (1937), original publication Prentice-Hall (1936). R.S. Tebble & D.J. Craik, Magnetic Materials, Wiley-Interscience, pp. 203, 247 (969). Primary Examiner: Stephan; Stephen L. Assistant Examiner: Cuneo; Christopher Attorney, Agent or Firm: Ostrager, Chong & Flaherty Формула патента Я заявляю: 1. Метод охлаждения системы, имеющей предсказуемые импульсы рассеяния тепла, использующий электромагнитную тепловую машину, причем тепловая машина, включающая в себя магнитную среду с восприимчивостью, изменяющейся с температурой и помещенной в близкий тепловой контакт с системой, электрическую цепь, предназначенную для создания магнитного поля при прохождении электрического тока и задействованную при намагничивании, размагничивании магнитной среды, электрическую нагрузку для поглощения энергии от указанного магнитного поля при размагничивании, метод, включающий намагничивание указанной магнитной среды между названными импульсами рассеяния и размагничивания указанной магнитной среды во время названных импульсов рассеяния, так, чтобы названные импульсы рассеяния преобразовывались в электрическую энергию в названных электрических цепях. 2. Метод , заявленный в п. 1, приначем указанные импульсы рассеяния происходят в различных частях системы в разное время, метод, далее включающий размещение частей указанной магнитной среды в прямом тепловом контакте с каждой из названных частей, так, чтобы названные электрические цепи поставляли ток к каждой из названных частей, а намагничивание выполнялось на указанной среде между названными импульсами в каждой из названных частей, и размагничивание осуществлялось на указанной среде во времяназванных импульсов в каждой из названных частей. 3. Метод заявленный в п.1, приначем тепловая машина работает синхронно с названными импульсами рассеяния. Описание ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ Это изобретение в общем относится к магнитным тепловым машинам. Точнее, это относится к электромагнитным тепловым машинам для непосредственного преобразования тепловой энергии в электрическую с помощью магнетизма. Обоснование ИЗОБРЕТЕНИЯ В основном электрическая энергия, производимая в настоящее время поступает при преобразования тепла путем использования паровых турбогенераторов. Магнетогидродинамические и магнетокалорические схемы, хотя уменьшают количество движущихся частей, все еще используют промежуточную механическую форму, к примеру, в виде кинетической энергии жидкой среды, и кроме того, требуют, чтобы среда была магнитной и проводящей. Поток жидкости очень трудно смоделировать и управлять им, а в ранее упомянутых методах, передача работы происходит прежде всего через физическую границу среды, которая ограничивает производительность. До настоящего времени отсутствует тепловая машина, в которой передача работы не ограничивалась поверхностью среды, и в который тепло непосредственно преобразовывалась в электричество, не вовлекая каких - либо посредников в механической форме. До настоящего времени только механические средства использовались для преобразования работы в магнитных машинах, хотя они известны сто лет, с тех пор, как Никола Тесла предложил свой термомагнитный мотор ( патент США №396 121, выдан 15 января 1889)!. Механизм индуктивного преобразования работы не был предложен из-за отсутствия модели отрицательного сопротивления при генерировании энергии. Неадекватное термодинамическое понимание также виновато в медленном развитии магнитных машин. Магнетизм испытывает особые трудности из - за отсутствия магнитных аналогий с кинетической теорией газов. Среди недостатков в предшествующем восприятии, - относительный отсутствие интереса к парамагнетизму, - "газообразному" состоянию намагничивания. Ферромагнетик достигает насыщения легче, но накапливает меньше энергии, даже по сравнению с парамагнетиком (для заданной намагниченности). Очень высокие напряженности поля необходимы в предыдущих магнитных машинах для получения достаточной удельной мощности. Максимальная магнитная удельная плотность энергии близка к достижимой удельной плотности энергии в газах, потому что газы не имеют внутренней структуры, которая может сопротивляться или разрушаться при напряжении. Для магнитных машин требуются более высокие рабочие скорости чтобы обеспечить приемлимую удельную плотность энергии, но механическая форма существующих магнитных машин строго ограничивает их по скорости. В области криогенных температур, например, скорости - до нескольких циклов в секунду. Кстати, термодинамические идеи в последнее время применяются в области цифровой электроники для уменьшения рассеяния. Адиабатическое переключение и обратимые вычисления требуют понижения операционной скорости и не стыкуются с существующими системами, потому что возникают противоречивые требования при проектировании. Кроме этого, эти схемы имеют спорные экстраполяции термодинамических идей, в то время как фундаментальное теоретическое соотношение между абстрактной информационной и физической энтропией ещё не обнаружено. Большая часть рассеяния в современных CMOS технологиях возникает из-за движения зарядов во время переходов между логическими состояниями. Непосредственное применение термодинамики казалось бы более приемлемо к проблеме, полагая, что рассеяние является периодическим и управляемым синхроимпульсом, позволяя тепловой машине действовать синхронно для быстрого удаления тепла. Рассеяние в данном цикле является, однако, относительно маленьким и случайно расположенным в физической цепи. Кроме этого, наибольшие температуры, мгновенно достигаемые в отдельных логических ключах или транзисторных структурах, которые в конечном счете ограничивают рабочий режим и плотность упаковки, и поэтому должна быть непосредственно выделены. Только магнетизм может обеспечить немедленное взаимодействие энергии таких предсказуемых скачков с учетом чипа или системы, а взаимодействие должно быть скорее индуктивным, чем механическим по практическим соображениям. Ни одна из предшествующих тепловых машин не соответствует этим требованиям. Цель настоящего изобретения обеспечить термодинамическое средство для непосредственного преобразования энергии между тепловой и электрическими формами, используя магнетизм. Другая цель изобретения состоит в том, чтобы обеспечить возможность использования более широкого диапазона магнитных материалов и рабочих режимов в магнитных тепловых машинах. Еще одна цель изобретения состоит в том, чтобы обеспечить средство для использования магнитных тепловых машин при более высоких скоростях, для получения большей удельной плотности преобразуемой мощности. Далее цель состоит в том, чтобы представить отрицательное сопротивление как полезную модель при генерировании энергии с дополнительными возможностями, что энергия может регулироваться и управляться входом с малой энергиию необходимым для установки тока нагрузки. Кроме этого цель изобретения состоит в том, чтобы обеспечить прямое термодинамическое средство для охлаждения синхронизированных цифровых систем. Описание ИЗОБРЕТЕНИЯ В описываемом изобретении перечисленные цели, так же как другие, не указанныее выше, будут достигнуты применением тепловой машины, которая непосредственно осуществляет преобразование между тепловой и электрической формами энергии, используя магнетизм. Точнее, изобретение соответствует электромагнитной тепловой машине, в котором электрическая энергия поглощена или произведена индуктивно магнитной средой. Изобретение также превосходит известные магнитные тепловые машины благодаря использованию более широкого диапазона магнитных сред и более высоких рабочих скоростей, чем те, которые были возможны до настоящего времени. Преимущество - в потенциальном устранении движущихся частей, непосредственном преобразовании в электричество приемлимой части энергии, большем выборе магнитных сред и рабочих скоростей, больших возможностях при проектировании машин и систем, немедленном термодинамическое использовании местных горячих точек, и способности управлять рассеянием в цифровых системах мгновенным преобразованием в электричество. Существующее изобретение таким образом состоит из трех частей: Электромагнитная тепловая машина, индуктивно преобразующая энергию тепла магнитной среды в энергию тока в электрической цепи. Магнитный цикл Карно состоит из намагничивания магнитной среды при одной температуре и размагничивании среды при другой температуре. Если восприимчивость среды уменьшается с повышением температуры, как обычно, то тепло поглощается во время размагничивании и отдается во время намагничивания. При этом теплообмен должен поддерживать температуру постоянной во время каждого из этих изотермических действий. Температурные изменения произведены адиабатическим намагничиванием или размагничиванием . Работа совершается над средой во время намагничивания, и среда выполняет работу при размагничивании, но работы не равны, потому что восприимчивость изменяется с температурой. Выполнение циклов намагничивания в синхронизации с температурными циклами таким образом завершается чистым преобразованием между тепловой и связанной энергией. В электромагнитной машине, электрический ток работает при намагничивании среды, и наоборот, среда воздействует на электрическую цепь из - за наводимой эдс во время размагничивания. Машина таким образом выполняет преобразование между тепловой и электрической энергиями. Так как наводимая ЭДС пропорциональна току, работа, выполненная средой, немедленно проявляется как отрицательное сопротивление в цепи. Соответственно, намагничивание наводит положительное сопротивление в цепи. Наведенное сопротивление также изменяется с восприимчивостью, которая зависит от текущей температуры, следовательно чисто отрицательное сопротивление наводится в том случае, когда действует как двигатель. Отрицательное сопротивление проявляется не только при возрастании тока, как, например, в туннельных диодах, но и при постоянном токе. Энергия, наведенная благодаря образованию отрицательного сопротивления, позволяет регулировать и управлять через вспомогательный источник электроэнергии, необходимый для создания тока. Полезная преобразуемая энергия возрастает благодаря высокой восприимчивости и высокой рабочей скорости. Больше возможностей при проектировании системы. Работа, сделанная за цикл тепловой машиной - определяется энергией, запасенной в среде. Плотность преобразованной энергии поэтому непосредственно пропорциональна плотности запасённой средой энергии. В существующих рабочих режимах, газовые машины ограничены маленьким диапазоном удельной плотности энергии и механическими ограничениями на скорость. Магнитная плотность энергии зависит от восприимчивости среды. Доступные восприимчивости охватывают несколько порядков по величине, - от слабого парамагнетизма пятидесяти пяти элементов до сильного ферромагнетизма железа. При этом удельная плотность энергии - от нескольких микроджоулей в куб. см для большинства парамагнитных материалов до 1 джоуля в куб. см на Тесла для гадолинии и диспрозии в их ферромагнитных состояниях. Для сравнения - для газов приблизительно 40 миллиджоулей в куб. см при обычных давлениях, а диапазон ограничен одним порядком величины. Диапазон восприимчивости, различные формы магнетизма и широкий диапазон рабочих скоростей дает большую свободу при проектировании системы. Эта свобода не была использована в предшествующих магнитных машинах из-за недооценкик ферромагнетизма и использования механических конструкций. Несмотря на более высокую удельную плотность доступной энергии, особенно при использовании ферромагнетизма, теория и практические аспекты даже парамагнетизма оставались малоизученными. Использование подхода отрицательного сопротивления и индуктивной передачи работы электромагнитных машин позволят лучше использовать полноту гаммы магнитных характеристик. Более того, рабочая частота электромагнитных тепловых машин ограничена только скоростью температурных изменений, а особенности изготовления электромагнитных тепловых машин очень подходят для специфического применения в современной технологии, позволяя использовать быстрые локальные температурные изменения в диапазоне частот до нескольких гигагерц. Синхронное охлаждение цифровых систем. Рассеяние в цифровых системах имеет тенденцию быть сконцентрированным во скачках после фронта синхроимпульса, которые вызывают переходы в другое цифровое состояние. Электромагнитный машина поэтому может быть встроена в цифровую систему, рабочей магнитную среду, неоднократно подогреваемую импульсами рассеяния. Синхронизируя ток в машине с часами системы так, чтобы формируемый ток создавался в промежутках импульсов, - в то время когда среда при более низкой температуре, и уменьшался во времяи мпульсов в более высокой температуре, вызванной рассеянием. По крайней мере часть рассеиваемого тепла таким образом преобразуется в электричество. Рассеяние при переключении импульса в логических элементах является весьма маленьким, и практически только несколько элементов изменяют состояние при каком - то заданном фронте синхроимпульса во многих цепях. Полное рассеяние становится существенным прежде всего из-за высоких рабочих частот. Следовательно, в цикле преобразования плотность энергии требуемая для охлаждения является весьма маленькой, и работа ограничена эффективностью, а не конверсионной плотностью . Даже эффективность может быть значительно более высокой, чем ожидаем при рабочих температурах, потому что преобразование зависит от мгновенной температуры, достигнутой в непосредственной близости от переключающихся элементов. Другие цели, особенности и преимущества настоящего изобретения станут очевидны, когда детальное описание предпочтительных воплощений рассматривают в сочетании с рисунками, которые должны быть рассмотрены в иллюстративном и не ограничивающем смысле далее. КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ РИСУНКОВ Рис. 1 - схема, показывающая угловую степень свободы атомных магнитных моментов, определенную магнитным полем, приложенным к электромагнитной машине в согласии с изобретением. Рис. 2a - зависимость температуры от энтропии, показываущая цикл Карно для магнитной машины. Рис. 2b - зависимость приложенного поля от обратной намагниченности, соответствующего циклу Карно, показанному на рис. 2a. Рис. 2c - зависимость приложенного поля от намагничивания, соответствующего циклу Карно, показанному в рис. 2a. Рис. 2d - зависимость приложенного поля от обратной намагниченности, показывающая цикл Карно для электромагнитной машины в согласии с изобретением. Рис. 2e - зависимость приложенного поля от намагничивания, показывающая цикл Карно для электромагнитной машины в согласии с изобретением. Рис. 2f - зависимость намагничивания от температуры для различной напряженности приложенного поля для линейной ферромагнитной среды. Рис. 2g - зависимость приложенного поля от намагничивания, показывающая изотермы и адиабаты в линейной ферромагнитной среде. Рис. 3 - схема эквивалентной цепи для устройство с отрицательным сопротивлением, соответствующая электромагнитной машине в согласии с изобретением. Рис. 4 - зависимость коэффициент усиления по выходной электрической мощности благодаря отрицательному сопротивлению устройства от нормализованного эффекта устройства. Рис. 5a - схематическая схема совершающий возвратно-поступательное движение магнитной тепловой машины. Рис. 5b - схематическая схема обычной маломощной управляемой нагреванием магнитной машины. Рис. 5c - схематическая схема обычной магнитной турбины. Рис. 6a - электрическая схема цепи, показывающая простую совершающую возвратно-поступательное движение электромагнитную машину, использующую источник напряжения для намагничивания магнитной среды. Рис. 6b - электрическая схема цепи, показывающая простую электромагнитную машину, которая использует возбуждение переменным током вместе с циклическим воздействием температуры. Рис. 6c - временная диаграмма для машины, которая использует возбуждение переменным током , показанной в рис. 6b, действующей как электрический источник энергии. Рис. 6d - временная диаграмма для машины, которая использует возбуждение переменным током , показанный в рис. 6b, действующей как рефрижератор. Рис. 6e - детальная схема временная диаграмма , соответствующая рис. 6c, для машины, которая использует возбуждение переменным током , показанной в рис. 6b, действующей как электрический источник энергии. Рис. 6f - схематический рисунок электромагнитного аналога магнитной турбины, показанной в рис. 5c. Рис. 6g - схематический рисунок каскада многократных электромагнитных турбин. Рис. 6h - зависимость приложенного поля от намагниченности, показывающая типичный термодинамический цикл, когда электромагнитная машина по изобретению применена к охлаждению цифровых интегральных схем. Рис. 7a - схематический рисунок совершающей возвратно-поступательное движение магнитной машины. Рис. 7b - схематический рисунок машинного элемента для машины, показаннй на рис. 7a, подходящий для внутреннего сгорания. Рис. 8a - вид сверху для электромагнитной турбины. Рис. 8b - вид со стороны горячего теплообменника для электромагнитной турбины, показанной на рис. 8a. ТЕОРИЯ ДЕЙСТВИЯ Теоретическое обоснование Динамическое восприятие магнетизма было настолько недостаточно в прошлом, что некоторые исследователи действительно использовали потенциал вместо фактической энергии намагничивания, "Chapter 18, Solid State Physics, A J Dekker, Prentice-Hall, 1957", связывая прикладываемое поле B с объемом газа V, а намагничивание М - с давлением p. Эта ассоциация неверна, потому что это игнорируется факт, что тепловая деятельность имеет тенденцию увеличивать ориентационную свободу элементарных моментов таких, как намагничивание, - а не прикладываемое поле, - соответствующих понятию объема. Ошибка показательна теоретической трудности в предыстория. Простая кинетическая теория намагничивания важна для понимания и разрабатывания магнитных машин. Намагничивание - угловое удержание атомных моментов при наложении поля, и походит на пространственное удержание газа стенами, которые противостоят его давлению. Идеализация, как в термине "идеальный газ", означает отсутствие существенных внутренних взаимодействий между микроскопическими элементами. При низких температурах, взаимодействия между атомными магнитными моментами начинают доминировать над тепловой подвижностью, в конечном счете заставляя намагничивание уплотнить возле температуры Кюри. Ферромагнетизм в общем относится к различным конденсированным состояниям намагничивания, в то время как парамагнетизм по закону Кюри соответствует идеальному газовому состоянию. Основная теория тепловой машины