(57)【要約】作用物質分子の運動エネルギー（等価的には、熱エネルギー）を、巨視的なレベルで有用な働きを実行するために利用され得るエネルギーの別の形態に変換する、ナノメートルスケールアセンブリを利用するエネルギー変換システムが提供される。本システムは、例えば、有用な量の電気的または機械的エネルギーを生成し、外部の物質を加熱もしくは冷却し、あるいは、制御可能な方向に対象を推進させるために利用され得る。特に、本発明は、作用物質分子の速度を低減するナノメートルスケール衝撃質量を含み、作用物質分子は、衝突する分子の運動エネルギーのいくらかを衝撃質量の運動エネルギー変換することによって、この衝撃質量を振動させる。圧電性、電磁気性、および、起電力性ジェネレータを含む様々なデバイスが、衝撃質量の運動エネルギーを電磁気、電気、または、熱エネルギーに変換するために利用される。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の分子を有する作用物質に浸されるエネルギー変換システムであって、該システムは、
基礎部材と、
１つの形態から別の形態にエネルギーを変換する、該基礎部材に接続される複数のナノスケールアセンブリであって、該ナノスケールアセンブリの各々は、
分子衝撃質量であって、該衝撃質量は、該衝撃質量と衝突する該分子の速度を低減し、所定の範囲の距離内で移動するように抑制される、分子衝撃質量を含む、該ナノスケールアセンブリと
を備える、エネルギー変換システム。
【請求項２】
前記衝撃質量は、該衝撃質量と衝突する前記分子がもたらす該衝撃質量の運動エネルギーを、エネルギーの異なる形態に変換するジェネレータデバイスをさらに含む、請求項１に記載のエネルギー変換システム。
【請求項３】
前記衝撃質量は、静電気的に帯電する、請求項２に記載のエネルギー変換システム。
【請求項４】
前記ナノメートルスケールアセンブリは、
前記衝撃質量と衝突する前記分子がもたらす該衝撃質量の運動エネルギーを、エネルギーの異なる形態に変換するジェネレータデバイス
をさらに備える、請求項１に記載のエネルギー変換システム。
【請求項５】
前記ジェネレータデバイスは、機械的エネルギーを電磁気エネルギーに変換する電磁気ジェネレータである、請求項４に記載のエネルギー変換システム。
【請求項６】
前記衝撃質量は、気体分子を含む、請求項３に記載のエネルギー変換システム。
【請求項７】
前記気体分子は、封入されるカーボンナノチューブに配置されることによって抑制される、請求項６に記載のエネルギー変換システム。
【請求項８】
前記複数のアセンブリの第１の半分は、少なくとも１つの正に帯電した気体分子を含むナノチューブを含み、該複数のアセンブリの第２の半分は、少なくとも１つの負に帯電した気体分子を含むナノチューブを含む、請求項７に記載のエネルギー変換システム。
【請求項９】
前記衝撃質量は、カーボンナノチューブを含む、請求項４に記載のエネルギー変換システム。
【請求項１０】
前記基礎部材は、伝導性下部プレートを含む、請求項９に記載のエネルギー変換システム。
【請求項１１】
前記ナノスケールアセンブリは、
所定の範囲の距離内で、前記衝撃質量の運動を制限する抑制部材
をさらに含む、請求項１に記載のエネルギー変換システム。
【請求項１２】
前記分子衝撃質量は、少なくとも部分的に、所定の範囲の距離内で該衝撃質量の運動を抑制することに貢献する、請求項１に記載のエネルギー変換システム。
【請求項１３】
前記作用物質は、作用流体である、請求項１に記載のエネルギー変換システム。
【請求項１４】
前記作用流体は、第２の物質の粒子が積まれる第１の物質を含む、請求項１３に記載のエネルギー変換システム。
【請求項１５】
前記第２の物質は、カーボンベースの分子を含む、請求項１４に記載のエネルギー変換システム。
【請求項１６】
前記作用流体は、液体である、請求項１３に記載のエネルギー変換システム。
【請求項１７】
前記作用流体は、気体である、請求項１３に記載のエネルギー変換システム。
【請求項１８】
前記気体は、大気圧の空気である、請求項１７に記載のエネルギー変換システム。
【請求項１９】
前記作用物質は、重い分子気体である、請求項１７に記載のエネルギー変換システム。
【請求項２０】
前記重い分子気体は、キセノンガスである、請求項１９に記載のエネルギー変換システム。
【請求項２１】
前記作用流体は、高められた圧力下にある、請求項１３に記載のエネルギー変換システム。
【請求項２２】
前記抑制部材は、前記衝撃質量と前記基礎部材との間に接続される、請求項１１に記載のエネルギー変換システム。
【請求項２３】
前記ジェネレータデバイスは、前記衝撃質量と前記基礎部材との間に接続される、請求項４に記載のエネルギー変換システム。
【請求項２４】
前記ジェネレータデバイスは、１組の出力リードを有する圧電性ジェネレータである、請求項２３に記載のエネルギー変換システム。
【請求項２５】
前記衝撃質量の運動は、中立点と単一の制限点との間に実質的にあるように制限される、請求項２４に記載のエネルギー変換システム。
【請求項２６】
前記圧電性ジェネレータは、拍動性ＤＣ出力を生成する、請求項２５に記載のエネルギー変換システム。
【請求項２７】
前記出力リードの各組は、システム出力を提供するために直列に共して接続される、請求項２６に記載のエネルギー変換システム。
【請求項２８】
前記出力リードの各組は、システム出力を提供するために並列に共して接続される、請求項２６に記載のエネルギー変換システム。
【請求項２９】
前記ジェネレータデバイスは、
前記出力リードの組の間に接続される抵抗
をさらに含む、請求項２４に記載のエネルギー変換システム。
【請求項３０】
前記ジェネレータデバイスは、
前記抵抗に熱的に接続される熱い側面、および、冷たい側面を含む熱電性ジェネレータと、
該冷たい側面に接続される熱伝導性部材と
をさらに備える、請求項２９に記載のエネルギー変換システム。
【請求項３１】
前記ジェネレータデバイスは、
前記抵抗と前記作用物質との間の熱的絶縁体の第１の層と、
前記熱電性ジェネレータと該作用物質との間の熱的絶縁体の第２の層と
をさらに備える、請求項３０に記載のエネルギー変換システム。
【請求項３２】
前記熱電性ジェネレータは、
一組の出力リードをさらに備える、請求項３０に記載のエネルギー変換システム。
【請求項３３】
前記出力リードの前記各組は、システム出力を提供するために共して直列に接続される、請求項３２に記載のエネルギー変換システム。
【請求項３４】
前記作用物質から熱的に絶縁された負荷抵抗とをさらに備え、前記システム出力は、該負荷抵抗に接続される、請求項３３に記載のエネルギー変換システム。
【請求項３５】
前記基礎部材、前記複数のナノメートルスケールアセンブリ、および、前記作用物質を含む熱伝導性筐体
をさらに備える、請求項３４に記載のエネルギー変換システム。
【請求項３６】
前記エネルギー変換システムは、外部の物質を冷却する熱ポンプとして動作する、請求項３５に記載のエネルギー変換システム。
【請求項３７】
前記エネルギー変換システムは、外部の物質を過熱する熱ポンプとして動作する、請求項３５に記載のエネルギー変換システム。
【請求項３８】
前記筐体と前記負荷抵抗との間に接続される熱エンジン
をさらに備える、請求項３５に記載のエネルギー変換システム。
【請求項３９】
前記出力リードの前記各組は、システム出力を提供するために、共して並列に接続される、請求項３２に記載のエネルギー変換システム。
【請求項４０】
前記抵抗に接続される熱い側面およびヒートシンクに接続される冷たい側面を有する熱エンジンをさらに備える、請求項２９に記載のエネルギー変換システム。
【請求項４１】
前記分子衝撃質量は、ナノメートルスケールパドルを含む、請求項１に記載のエネルギー変換システム。
【請求項４２】
前記ナノメートルスケールパドルは、シリコンパドルである、請求項４１に記載のエネルギー変換システム。
【請求項４３】
前記ナノメートルスケールパドルは、カーボンパドルである、請求項４１に記載のエネルギー変換システム。
【請求項４４】
前記衝撃質量は、
複数のカーボンナノチューブであって、該複数のカーボンナノチューブの各々は、前記パドルに対する一端にマウントされる、複数のカーボンナノチューブ
をさらに備える、請求項４１に記載のエネルギー変換システム。
【請求項４５】
外部の表面を有する３次元の対象であって、前記複数のナノメートルスケールアセンブリは、該外部の表面にマウントされ、該対象は、前記作用物質に浸される、３次元の対象
をさらに備える、請求項１に記載のエネルギー変換システム。
【請求項４６】
前記複数のナノメートルスケールアセンブリの動作を変化させ、それにより、前記対象の一部分にあるアセンブリが、該対象の異なる部分上の前記複数のアセンブリの動作と比較して、圧力差を生成するドライブシステムであって、該圧力差は、該対象上に正味の力を生成する、ドライブシステム
をさらに備える、請求項４５に記載のエネルギー変換システム。
【請求項４７】
前記圧力差は、前記作用物質を通って前記対象を推進するために動作する、請求項４６に記載のエネルギー変換システム。
【請求項４８】
前記ドライブシステムは、
複数の電磁石
を備える、請求項４６に記載のエネルギー変換システム。
【請求項４９】
上部伝導性プレートと、
電位のソースであって、印加された場合に、前記衝撃質量を前記下部伝導性プレートの表面に一般的に垂直に保たせる、該衝撃質量に印加される力を生成する電界を生成する、電位のソースと
をさらに備える、請求項１０に記載のエネルギー変換システム。
【請求項５０】
前記衝撃質量は、少なくとも部分的に、所定の距離内に該衝撃質量の運動を抑制するように動作する前記基礎部材に固定される第１の端部、および、自由に移動する第２の端部を有し、異なる衝撃質量の該第２の端部の間の衝突が、該衝撃質量の運動エネルギーを熱エネルギーに変換する摩擦を生成する、請求項１に記載のエネルギー変換システム。
【請求項５１】
前記衝撃質量は、カーボンナノチューブを含み、前記基礎部材は、熱伝導性材料を含む、請求項５０に記載のエネルギー変換システム。
【請求項５２】
前記基礎部材に接続される熱い側面およびヒートシンクに接続される冷たい側面を有する熱エンジン
をさらに備える、請求項５１に記載のエネルギー変換システム。
【請求項５３】
前記ジェネレータデバイスは、運動エネルギーを電気エネルギーに変換する起電力ジェネレータを備える、請求項４に記載のエネルギー変換システム。
【請求項５４】
前記ジェネレータデバイスは、運動エネルギーを電気エネルギーに変換する起電力ジェネレータを備える、請求項２に記載のエネルギー変換システム。
【請求項５５】
前記起電力ジェネレータは、
複数のナノメートル部材であって、該複数のナノメートル部材の各々は、前記基礎部材に固定される前記第１のおよび第２のマウント点の各組の間にゆるくマウントされることにより、該ナノメートル部材の各々に遊びが存在する、複数のナノメートル部材と、
外部の磁界であって、該ナノメートル部材に印加される時に、該ナノメートル部材が移動している場合、該第１および第２のマウント点の間に電圧を誘発する外部の磁界と
を含む、請求項５４に記載のエネルギー変換システム。
【請求項５６】
前記ナノメートル部材は、電気的抵抗である、請求項５５に記載のエネルギー変換システム。
【請求項５７】
前記基礎部材は熱伝導性であり、前記システムは、
第１の導電性および熱伝導性レールであって、前記複数のマウント点は、該第１のレールに接続され、該第１のレールは、前記基礎部材に接続される、第１の導電性および熱伝導性レールと、
第２の導電性および熱伝導性レールであって、前記第２の複数のマウント点は、該第２のレールに接続され、該第２のレールは、該基礎部材に接続される、第２の導電性および熱伝導性レールと
をさらに備える、請求項５６に記載のエネルギー変換システム。
【請求項５８】
前記外部の磁界による前記ナノメートル部材のブラウン運動は、第１および第２のマウント点の各組間に電圧を生成する、請求項５７に記載のエネルギー変換システム。
【請求項５９】
前記電圧は、第１のナノメートル部材から前記第１のレールまで、第２のナノメートル部材を通り、前記第２のレールを通り、そして、前記第１のナノメートル部材まで流れる電流を生成する、請求項５８に記載のエネルギー変換システム。
【請求項６０】
前記電流は、前記ナノメートル部材と、前記第１および第２のレールとを加熱させ、前記熱エネルギーは、該第１および第２のレールから前記基礎部材まで伝えられる、請求項５９に記載のエネルギー変換システム。
【請求項６１】
前記基礎部材と前記ナノメートル部材との間の該基礎部材の表面にマウントされる熱的絶縁体の層であって、該絶縁体は、該基礎部材の該表面を実質的に覆う、熱的絶縁体の層
をさらに備える、請求項６０に記載のエネルギー変換システム。
【請求項６２】
前記ナノメートル部材は、カーボンナノチューブを含む、請求項５５に記載のエネルギー変換システム。
【請求項６３】
前記衝撃質量は、
遊びが前記ナノメートル部材に存在するように該基礎部材に固定された前記第１および第２のマウント点の組の間にゆるくマウントされるナノメートル部材と、
該ナノメートル部材に印加される時に、該ナノメートル部材が移動している場合、該第１と第２のマウント点との間に電圧を誘発する外部の磁界と
を含む、請求項２に記載のエネルギー変換システム。
【請求項６４】
前記基礎部材は熱伝導性であり、前記システムは、
前記第１と第２との点の間に電気的に接続され、かつ、前記基礎に熱的に接続される抵抗と、
第１および第２の熱反応部材およびジェネレータ出力リードの組を含む複数の熱電ジェネレータであって、該第１の熱反応部材の各々は、該基礎部材に接続され、該出力リードの各々は、共して直列に接続される、複数の熱電ジェネレータと
をさらに備える、請求項５５に記載のエネルギー変換システム。
【請求項６５】
前記衝撃質量は、圧電性ジェネレータの圧縮可能な部分を含む、請求項１に記載のエネルギー変換システム。
【請求項６６】
前記ジェネレータデバイスは、圧電性ジェネレータである、請求項４に記載のエネルギー変換システム。
【請求項６７】
前記衝撃質量は、前記圧電性ジェネレータの圧縮可能な部分を含む、請求項６６に記載のエネルギー変換システム。
【請求項６８】
前記衝撃質量は、エネルギーを１つの形態から別の形態へ変換し、かつ、所定の範囲の距離を越えて移動することから自身を抑制するように動作する、請求項１に記載のエネルギー変換システム。
【請求項６９】
前記衝撃質量は、カーボンナノチューブを含む、請求項６８に記載のエネルギー変換システム。
【請求項７０】
複数の分子を有する作用物質に浸され、かつ、エネルギーを１つの形態から別の形態へ変換するエネルギー変換システムであって、該システムは、
第１の熱伝導性部材と、
第２の熱伝導性部材と、
第１の複数のマウント点と、
第２の複数のマウント点であって、各第２の複数のマウント点は、該第１の複数のマウント点の１つに対応する、第２の複数のマウント点と、
複数のナノメートル部材であって、該複数のナノメートル部材の各々は、遊びが該ナノメートル部材の各々に存在するように、該第１および第２の複数のマウント点の１つの間にゆるくマウントされ、ブラウン運動が、該ナノメートル部材を移動させる、複数のナノメートル部材と、
複数の抵抗性要素であって、該複数の抵抗性要素の各々は、該第１の導電性部材に熱的に接続され、かつ、該第１および第２の複数のマウント点の１つの間にマウントされることにより、抵抗性要素は各ナノメートル部材に対応する、複数の抵抗性要素と、
該移動するナノメートル部材に印加された時に、電流の流れを誘発する電界を誘発する外部の電界と、
第１および第２の熱反応部材を含む複数の熱電ジェネレータであって、各該第１の熱反応部材は、該第１の熱伝導性部材に接続され、各該第２の熱反応部材は、第２の熱伝導性部材に接続される、複数の熱電ジェネレータと
を備える、エネルギー変換システム。
【請求項７１】
複数の分子を有する作用物質に浸さるエネルギー変換システムであって、該システムは、
基礎部材と、
該基礎部材に接続される複数のナノメートルスケールアセンブリであって、該ナノメートルスケールアセンブリの各々は、
該基礎部材に固定される第１の端部および自由に移動する第２の端部を有する分子パドルと、
圧電性材料の一部分および該第１の端部に接続される抵抗アセンブリを含む、圧電性ジェネレータと
を備える、複数のナノメートルスケールアセンブリと、
熱い（ＨＯＴ）側面および冷たい（ＣＯＬＤ）側面を含む少なくとも第１の熱エンジンであって、該熱い側面は該抵抗アセンブリの１つに熱的に接続され、該冷たい側面は、第１のヒートシンクに熱的に接続される、少なくとも第１の熱エンジンと
を備える、エネルギー変換システム。
【請求項７２】
複数の分子を有する作用物質に浸さるエネルギー変換システムであって、該システムは、
熱伝導性の基礎部材と、
該基礎部材に接続される、エネルギーを１つの形態から別の形態へ変換する複数のナノメートルスケールアセンブリであって、該ナノメートルスケールのアセンブリの各々は、
該衝撃質量と衝突する該分子の速度を低減する分子衝撃質量であって、該衝撃質量は、所定の範囲の距離内で移動するように抑制され、かつ、該基礎部材に固定される該第１および第２のマウント点の組の間にゆるくマウントされるナノメートル部材を含むことにより、遊びが該ナノメートル部材に存在し、該衝撃質量は、該衝撃質量と衝突する該分子がもたらす該衝撃質量の運動エネルギーを、異なる形態のエネルギーに変換するジェネレータデバイスをさらに含む、分子衝撃質量と、
該第１のおよび第２のマウント点の間に接続され、かつ、該基礎部材に熱的に接続される抵抗と
を含む、ナノメートルスケールのアセンブリと、
該作用物質と、該熱的に接続される抵抗および基礎部材との間の熱的絶縁体の少なくとも第１の層と、
該基礎部材に熱的に接続される熱い（ＨＯＴ）側面と、
ヒートシンクに熱的に接続される冷たい（ＣＯＬＤ）側面と
を含む、少なくとも１つの熱エンジンと、
該ナノメートル部材の各々に印加される時に、該ナノメートル部材が移動している場合、電流の流れを誘発する電界を誘発する外部の磁界と
を含む、エネルギー変換システム。
【請求項７３】
エネルギーを１つの形態から別の形態へ変換するために、複数の分子を有する作用物質に浸されるエネルギー変換システムを利用する方法であって、該システムは、基礎部材および複数のアセンブリを含み、該複数のアセンブリの各々は、所定の範囲の距離内で移動するように抑制される衝撃質量を含む、方法であって、該方法は、
該衝撃質量の該分子の分子衝撃における統計的ばらつきから運動エネルギーを生成するステップと、
該運動エネルギーを別の形態のエネルギーへ変換するステップと
を包含する、方法。
【請求項７４】
前記エネルギーの別の形態は、拍動性ＤＣ電気エネルギーである、請求項７３に記載の方法。
【請求項７５】
前記エネルギーの別の形態は、放射される電磁気エネルギーである、請求項７３に記載の方法。
【請求項７６】
前記エネルギーの別の形態は、ＡＣ電気エネルギーである、請求項７３に記載の方法。
【請求項７７】
前記ＡＣ電気エネルギーを熱エネルギーに再変換するステップ
をさらに包含する、請求項７６に記載の方法。
【請求項７８】
前記熱エネルギーをＤＣ電気エネルギーに変換するステップ
をさらに包含する、請求項７７に記載の方法。
【請求項７９】
前記熱エネルギーを変換するステップは、
前記システムに複数の熱電ジェネレータを付加するステップであって、該熱電ジェネレータの各々は、共して直列に接続される出力リードの組を有する、ステップと、
該複数の直列に接続された出力リードからシステム出力を出力するステップと
を包含する、請求項７８に記載の方法。
【請求項８０】
前記システム出力にわたって抵抗性負荷を提供するステップであって、該抵抗性負荷は、前記作用物質から熱的に絶縁される、ステップ
をさらに包含する、請求項７９に記載の方法。
【請求項８１】
変換するステップは、
前記複数のアセンブリの各々から個々の出力を提供するステップと、
システム出力を生成するために、該複数の個々の出力を共して直列に接続するステップと
を包含する、請求項７４に記載の方法。
【請求項８２】
前記システム出力にわたって抵抗性負荷を提供するステップであって、該抵抗性負荷は、前記作用物質から熱的に絶縁される、ステップ
をさらに包含する、請求項８１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（発明の背景）
本発明は、ナノメートルスケール電気機械式システムに関する。特に、本発明は、熱エンジン、熱ポンプ、または、推進システム等の様々な用途において利用され得るナノメートルスケール電気機械式システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
分子運動に依存する電気機械式システムは、公知である。例えば、米国特許第４，１５２，５３７号（「‘５３７号特許」）には、気体中のランダムな分子の運動から電気エネルギーを生成する電気ジェネレータ、および、全体的に一様な温度にある異なる気体分子における一様でない熱エネルギーの分配について、記載される。
【０００３】
他のそのようなシステムは、例えば、米国特許第３，３６５，６５３号、第３，４９５，１０１号、第２，９７９，５５１号、第３，６０９，５９３号、第３，２５２，０１３号、および、第３，５０８，０８９号に記載される。これらのシステムは、電気、または、分子運動および熱エネルギーに基づくオシレータ等の電気によって駆動されるデバイスを生成する。
【０００４】
これらのシステム全てに共通する１つの問題は、システムを操作するために必要となる電力量と比較した場合に、出力電力のレベルが低いことである。例えば、そのようなシステムは、多くの場合、一定の全体温度でシステムを維持するために、一定量のエネルギーを必要とする。第‘５３７号特許がそのようなシステム内の公知の欠乏のいくらかについて取り組む試みがなされたが、その一方で、そこに記載される電気ジェネレータはまた、同様の欠乏を被る。例えば、第‘５３７号特許は、平均速度以上を有する気体分子と接触することによってのみ、２つの異種材料間の熱電対結合を過熱することを試みている。さらに、第‘５３７号特許は、分子スケールで生成される極端に小さい電圧のために適切に動作する際に困難さを有し得る電気的整流器（例えば、図２および４における整流器ブリッジ４０を参照されたい）の配列を利用する。
【０００５】
さらに、電気的デバイスの利用は繁栄し続けているので、典型的にはそのようなデバイスの核心であるコンポーネントを冷却するために、より効果的であり、および／または、より静かな方法を提供する必要性がさらに増加している。例えば、多くのパーソナルコンピュータは、一定の操作上の範囲内でマイクロプロセッサの温度を維持するために必要となる１つ以上のファンを備える。これらのファンは、多くの場合、うるさく、かつ、多くの場合、結果的に、大容量の汚れた空気を、空気取り込み口からコンピュータを通って引き入れる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従って、本発明の目的は、効果的に分子レベルのエネルギーを巨視的なスケールで利用され得る別の形態に変換する、ナノメートルスケールの電気機械式システムを提供することである。
【０００７】
本発明の別の目的は、効果的に分子レベルの熱エネルギーを有用な機械的、および／または、電気エネルギーに変換する、ナノメートルスケールの電気機械式システムを提供することである。
【０００８】
本発明のさらなる目的は、物体の表面に圧力差を生成して制御可能な方向に物体を進ませるために、分子レベルエネルギーを利用するナノメートルスケールの電気機械式システムを提供することである。
【０００９】
本発明のさらなる目的は、外部表面を加熱する、または、冷却するために、分子レベルのエネルギーを利用するナノメートルスケールの電気機械式システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
（発明の要旨）
本発明のナノメートルスケール電気機械式システムは、作用物質内の分子の速度を低減することによって、分子レベルエネルギーを１つの形態から別の形態へ効果的に変換する。これらのシステムは、例えば、分子レベル熱エネルギーを有用な機械的または電気エネルギーへ変換する熱エンジンを含み得る。そのようなシステムはまた、物質を加熱するかまたは冷却するかのどちらかのために、分子レベルエネルギーを利用する熱ポンプを含み得る。例えば、本発明のシステムは、主要な冷却デバイスとしてマイクロプロセッサにマウントされ得、その結果、ファンはほとんどか、もしくは、全く必要とされない。さらに、これらのシステムはまた、分子レベルエネルギーが対象の表面に圧力差を生成するために利用される推進システムを含み得、それにより、制御可能な方向にその物質を推進させる能力を提供する。
【００１１】
本発明に従って構築されるナノメートルスケール電気機械式システムは、パドル、衝撃質量、および／または、チューブ等の大量のナノメートルサイズの対象を含み得、それらは、液体または気体内に配置される。これらの対象は、側面当たりに数ナノメートルのオーダーの大きさであり得、約１または２ナノメートルのオーダーの厚みを有し得る。パドルの１側面は、共通の基礎にパドルを結合する、柔軟で、ばねのような付属部品に接続される。また、圧電式、起電力、または、静電気ジェネレータ等のいくらかの形態のジェネレータデバイスが、各パドルに付加される。それらのデバイスは、ランダムな分子運動を電気、電磁気、または、熱エネルギーに変換する。
【００１２】
関連するジェネレータに結合されたナノメートルサイズのパドルは、個々の分子の速度を低減し、このことは、作用流体内の熱エネルギーの低減を結果としてもたらす。生成される電気エネルギーは、作用流体よりも高い温度で熱エネルギーに逆に変換され得、かつ、有用な働きを実行することができる温度差を確立するために利用され得る。本質的に、パドルは、作用物質に浸されるように構成される。パドルは、作用物質の分子の熱運動におけるばらつきにより作用物質内でランダムな態様で移動する。この運動は、必然的に、作用物質の分子とパドルとの間のパドルを振動させるのに十分な大きさの衝突から生じる。この振動からの運動エネルギーは、上述されるように、様々な方法により、電気、電磁気、または、熱エネルギーに変換され得る。
【００１３】
本発明に従って構築されるナノメートルスケール電気機械式システムはまた、多くのパドルの出力を効果的に訂正し、かつ、総和するコンポーネントを提供することにより、有用な電気的出力が生成される。例えば、本発明の１つの実施形態は、熱電対の１側面と接触する、各パドルに対して１つの抵抗エレメントのアレイの利用を含む。熱電対の他の側面は、周囲の温度にある他のもの（例えば、気体、または、液体）と熱的に接触して配置される。各熱電対は、パドルの数および構成に依存して、数ミリワットのオーダーで、出力を生成する単純な直列の関係によって総和され得る出力（すなわち、ＤＣ電流および電圧）を生成する。
【００１４】
１つの実施形態では、本発明に従って構築されるナノメートルスケール電気機械的システムは、コンデンサの２つのプレートの間で結合されるカーボンから作られるチューブ等のナノチューブのアレイを含み得る。チューブの１つは、コンデンサの１つのプレートに物理的に接続される一方、他の端部は、自由に動く。アセンブリ全体は、流体（すなわち、液体または気体）に浸される。電圧は、コンデンサ（プレート間の）に印加され、それにより、コンデンサプレートの表面に垂直なチューブの長さを保つ電界（「Ｅ」）を生成する。作用物質に浸されるチューブの「自由」端は、作用物質の分子およびチューブの間の衝突により激しく移動し、チューブのいくらかを互いに衝突させる。衝突するチューブの運動エネルギーおよび他のエネルギーは、上述されるように、１つ以上の有用な目的のために変換され得る。
【００１５】
本発明の別の実施形態では、多くのナノチューブは、導電性および熱伝導性レールに各端部で接続される。各チューブは、遊びまたはたわみがチューブに存在するように組み込まれる。遊びは、チューブが周りの流体（気体または液体）からのランダムな圧力変動に対応して振動するのを許す。この場合、チューブおよびレールに垂直である外部の磁界（「
【００１６】
【数１】
2004532000.tif 000003
」）が、アセンブリ全体に印加される。誘導電流からチューブ内に生成される熱は、チューブを下って、熱伝導性プレートに付加される熱伝導性レールまで流れる。
【００１７】
本発明のさらなる特徴は、その特性および様々な利点が、添付図および好ましい実施形態の以下の詳細な記述からより明らかになる。
【００１８】
本発明の上記または他の目的および利点は、添付の図面と共に説明される、以下の詳細な説明を考慮して明らかにされる。図面において、同様の参照文字は、全体を通して同様の部分を表す。
（発明の詳細な説明）
図１Ａは、本発明に従って構築されるナノメートルスケール電気機械式システムの一部分の説明概略図を示す。示される部分は、パドル１００の形態の衝撃質量、抑制部材１０２、（リード１０６で電気的出力を提供する）ジェネレータデバイス１０４、および、（典型的には、パドル１００よりも千から百万も大きい）基礎１０８を含む。パドル１００は、１つ以上の方向（例えば、側面に沿って、または、上下に）に所定の範囲の距離内で移動し得るように、基礎１０８（熱伝導性であってもよいが、そうでなくてもよい）に付加される。ナノメートルスケールアセンブリを利用した完全なエネルギー変換システムは、典型的には以下により明らかにされるように（例えば、図５および図６を参照されたい）、図１Ａに示される１００万かそれよりも多いデバイスを含む。
【００１９】
パドル１００は、例えば、カーボンまたはシリコン等の基板から構築されてもよいが、当業者は、本発明の意図から逸脱することなく、パドル１００の材料の製造において改変がなされ得ることを理解する。さらに、パドル１００は、一般的には、スパッタリング、エッチング、フォトリソグラフィ等の公知の半導体製造技術を利用して製造され得る。
【００２０】
さらに、各パドル１００は、各側面が約５ナノメートルで構築され得、約１から２ナノメートルの高さを有し得る。このサイズは、ブラウン運動の効果がパドル１００の慣性および抑制部材１０２のバネ定数に打ち勝つために十分に大きいように選択される。当業者には、パドル１００の特定のサイズは、本発明の基本動作にとって決定的ではないことが理解され、パドル１００は、パドル１００にぶつかる作用物質分子の速度のランダムな変動の結果として作用物質内で、不規則な態様で、移動可能である。
【００２１】
また図１Ａに示されるのは、パドル１００から跳ね返ったところが示され、低減された速度で移動する分子１１０である。当業者には、いくらかの分子は、衝撃の結果として低減された速度を有する一方、いくらかの分子は、速度の変化をほとんど示さず、いくらかの分子は、実際に増加した速度を達成することが理解される。しかし、一般的には、本発明に従うと、パドル１００との分子１１０の衝撃の結果として、平均的には、速度が低減する。
【００２２】
分子は、好ましくは、流体（すなわち、気体または液体）であるが固体であってもよい、本システムの作用物質の分子である。流体は、大気圧で保たれてもよく、または、例えば、約１５ＰＳＩ超過した圧力などの向上した圧力で保たれてもよい。上述されるように、作用流体の圧力は、本システムによって提供される出力における衝撃を有し得る。分子１１０は、パドル１００にぶつかり、それにより、分子１１０は、速度の低減を受ける。速度の低減は、本システムの作用物質の温度の低減に対応する。
【００２３】
分子１１０の速度の低減は、本発明から逸脱することなく任意の速度のデバイスであり得るデバイス１０４と関連して、パドル１００によって引き起こされる。例えば、デバイス１０４は、圧電性のデバイスであってもよく、あるいは、電動力または静電気ジェネレータであってもよい。各例では、デバイス１０４は、分子１１０の衝撃から衝撃質量１００への衝撃質量のエネルギーを、リード１０６を介して出力される電気エネルギーへ変換する。
【００２４】
リード１０６を介して出力される電気エネルギーの量は、最も都合の良い条件下でさえも、非常に少量である。例えば、パドル１００の出力は、デバイスのサイズおよび様々な他の要因に依存して、約１０−１２ワットのオーダーであり得る。従って、本システムが、例えば数ミクロワット等の有用な出力電力を提供するためには、本システムは、何百万のそのようなパドルが製造され、かつ、それらがいくらかの形態で共に連結され、その結果、それらの全て（もしくは、実質的に全て）の出力が、単一の出力信号へ総和され得ることを必要とする。
【００２５】
百万個またはそれくらいのパドル１００が１つのアレイに共して配列された場合（例えば、図５および６を参照されたい）、それらのパドル各々からのエネルギーの全てを総和するための１つの方法は、各パドル１００のリード１０６を抵抗エレメント１１２に結合し（図１Ｂを参照されたい）、かつ、抵抗エレメント１１２を熱電対１１６の一側面１１４と熱的接触に置くことである。次いで、熱電対１１６の他の側面１１８は、周囲の温度でヒートシンクまたはいくらかの他の物質と熱的接触に置くことである（作用物質自体を含みさえしてもよい）。熱電対１１６は、温度差に対応して、リードの対にわたる電圧を、かつ、リードが負荷に接続されている場合は、ＤＣ電流を生成する熱電ジェネレータである。
【００２６】
パドル１００での分子衝撃の変動は、抵抗エレメント１１２の温度の増加を発生させ、熱電対１１６による電気エネルギーへ変換され、リード１２０を介して出力される。抵抗エレメントの利用の１つの利点は、抵抗性負荷が電流／極性方向と独立しているので、各パドルに関連する整流器が必要とされないことである。従って、本発明に従うと、パドル１００での分子１１０の衝撃により生成される極小の電圧でさえ、有用な値まで抵抗エレメントを加熱するために利用され得る。次に、アレイの各熱電対は、ＤＣ電圧を、および、電気的負荷を介して接続される場合は、電流を生成する。これらの出力の全ては、少なくとも数ミクロワットの出力を生成するために、直列で共して接続され得る。
【００２７】
さらなる電力が必要とされる場合は、多数のパドルの部分アセンブリが、直列で共して接続され得る。例えば、所与の部分アセンブリが、各アセンブリが約１００平方ナノメートルを占有するパドルアセンブリのアレイを含むように形成される場合、１平方センチメートルアセンブリは、約１兆のパドルアセンブリを含み得る。そして、任意の数の１平方センチメートル部分アセンブリが、所望の割合の電圧および電流を実現するために、直列または並列に共して接続され得る。
【００２８】
さらに、約７００ｍＶのオーダーに結合された出力で、各１平方センチメートルアセンブリの出力は、従来の半導体スイッチを用いても処理され得る。従って、所与のコンポーネントは、連続するプロセスにおいて、薄く柔軟な材料のシート（アルミニウム等）上で互いに隣接した多数の１平方センチメートルアセンブリを製造することによって、製造され得る。結果として得られる材料のシートは、いくらかのコンデンサの製造プロセスと同様に、切断され、かつ、丸められてチューブになる。
【００２９】
当業者には、単位表面領域当たりのこれらのデバイスの電気的出力が、流体の圧力、流体の平均温度、および、利用されるパドルと流体分子のかたまりとの振動周波数に比例することが理解される（流体が気体であるか液体であるかに関わらない）。単位領域当たりの出力は、パドルの大きさ、および、パドル材料の密度に反比例する。従って、キセノン等の重い分子気体を選択することによって、または、カーボン分子でいっぱいの空気等の粒子でいっぱいの重い流体を用いることによって、または／および、大気圧の１００倍等の増加した圧力の気体にパドルを浸すことによって、単位あたりの電力出力は、大気圧の空気中で動作する単位と比較して、１００を越える要因によって増加させられ得る。
【００３０】
図２は、図１に示されるパドルアセンブリの代替の実施形態である。特に、図２のアセンブリは、抑制部材１０２が基礎１０８ではなく筐体２０８に接続されるという点において、図１と異なる。筐体２０８は、熱的入力（図２において「Ｑ」で示される）を受け取る能力を含む熱伝導性チャンバである。この実施形態では、熱Ｑの流入は、各リード１０６を介して出力される電気エネルギーに変換される。さらに、図１に示されるアセンブリは筐体を含まないが、そのアセンブリを汚染から保護するだけの場合は、筐体にそのアセンブリを配置することは、必ず必要とされないが望まれ得る。
【００３１】
図２に示される実施形態は、本発明のナノメートルスケールエネルギー変換システムが熱ポンプとして利用され得るという点で、本発明の利点の１つを示すために利用され得る。例えば、熱伝導性筐体２０８は、パドル１００での分子衝撃、および、それに続くパドルの運動エネルギーの電気エネルギーへの変換の結果として冷却される。暖かいまたは熱い空気は、筐体２０８をわたってそれを吹き付ける（ｂｌｏｗｉｎｇ）ことによって冷却され得る。一方、抵抗性負荷１１２は、リード１０６と直列に接続され得、その結果として、抵抗性負荷１１２の温度が上昇する。冷たい空気は、抵抗性負荷１１２を介してそれを吹き付けることによって暖められ得る。この態様では、同一のアセンブリが、外部物質を加熱するためか、または、外部物質を冷却するために利用され得る。
【００３２】
図３は、本発明の原理に従って構築されるナノメートルスケール電気機械式システム３００の一部分の別の実施形態である。図３に示されるシステム３００の一部分は、それぞれ圧電性ジェネレータ３０４、３２４および３４４の１つにそれぞれ接続される３つのパドルアセンブリ３０２、３２２および３４２を含む。図３に示される各パドルアセンブリはまた、分子衝撃に対応して移動し得るように、所定の位置に保たれる実質的に平面の表面を含むという点において、各パドルアセンブリ３０２、３２２および３４２は、図１のパドルアセンブリ１００と少々類似している。この例では、パドルアセンブリ３０２、３２２および３４２は、図３の数字３８０によって一般的に参照される一端に付加される。
【００３３】
圧電性ジェネレータはそれぞれ、圧電性材料の一部分および抵抗アセンブリから形成される。例えば、ジェネレータ３０４および３４４と実質的に同様であるジェネレータ３２４は、圧電性材料３２６と抵抗アセンブリ３２８との間の区分を示すように図示される。しかし、圧電性部分および抵抗アセンブリとの間の区分は、ジェネレータ３０４および３４４に対しても図３において示されてもよい。
【００３４】
抵抗アセンブリ３０８、３２８および３４８はそれぞれ、異なる材料から作られる２つのワイヤに接続される。例えば、ワイヤ３０７、３２７および３４７のそれぞれは、１つの材料から作られる一方で、ワイヤ３０９、３２９および３４９は全て、異なる材料から作られる。全てのワイヤの他の端部は、それぞれが基板３７０（例えば、シリコン基板であり得る）に機械的に接続される一連のヒートシンク３６０に接続される。尚、パドルアセンブリ３０２、３２２および３４２は、一般的に参照番号３８０で参照されるような一端で基板３７０に接続されるのみであり、その結果、例えば、パドルアセンブリは、容易に上下に振動し得る。
【００３５】
システム３００は、以下に示されるように本発明に従って動作する。システム全体は、作用物質である流体（すなわち、液体または固体）に浸される。パドル３０２にぶつかる作用物質粒子の速度の統計的なばらつきにより、例えば、パドルの自由端は、上下に振動させられる。パドル３０２の上下運動により、材料３０６の下部伝導性外部層３８５および上部伝導性層３８７の間に電圧を生成する圧電性材料３０６において、変形（ｓｔｒａｉｎ）が生じる。
【００３６】
材料３０６の外部伝導性層３８５および３８７は、抵抗アセンブリ３０８に接続され、その結果、電流が、材料３０６から抵抗３０８を通って流れ、材料３０６に戻る。抵抗３０８を通る電流は、ワイヤ３０７および３０９（上述されるように、異なる材料から作られる）によって形成される熱機械式ジェネレータの一側面に接続される抵抗器を暖める。熱電ジェネレータ（熱電対としても参照され得る）の他の側面は、より低い温度であるヒートシンクに接続される。当業者には、本発明の意図から逸脱することなく、本明細書中に示される熱電ジェネレータよりもむしろ、熱から電気への熱エンジン（例えば、熱イオン熱エンジン）等他のデバイスが利用され得ることが理解される。
【００３７】
温度差により、熱電ジェネレータは、以下に十分に説明されるように、システム出力電圧を提供するために他のパドルアセンブリからの電圧と結合され得る電圧を生成させる。本発明に従って、これらの電圧は、システム３００から利用可能なレベルで電気的出力を生成するために、直列に共して接続され得る。各パドルアセンブリからの電圧を総和するプロセスは、より詳細に、図５および図６を参照して以下に説明される。
【００３８】
当業者には、システム３００は、衝撃質量の運動エネルギーを熱エネルギーに対するＡＣ電気エネルギーおよびＤＣ電気エネルギーに変換するシステムとして説明されたが、システム３００は、わずかな改変によって、この運動エネルギーの結果としてＤＣ電気エネルギーを直接生成し得ることが理解される。
【００３９】
特に、尚、静止位置に対して上方向および下方向のパドル３０２の動きは、１つの極性の電圧を生成する。静止位置に対して下方向および上方向に戻ってくる運動は、反対の極性において電圧を生成する。従って、本発明に従うと、パドル３０２は、中立の位置（すなわち、静止位置）と単一の制限位置（第１の制限位置から第２の制限位置まで中立の位置を通り、かつ、戻ってくる通常の振動に対する）との間を移動することに実質的に制限され得る。
【００４０】
従って、パドル３０２が位置３０３（すなわち、パドル３０２の自由端に向かって）に対象を配置することによって「上方向」運動に制限されると、出力電圧が１つの極性に制限される（特に、脈動ＤＣ）。そのような構成では、圧電性ジェネレータ（ジェネレータ３０４等）の出力は、直列に共して直接接続され得、そのことは、例えば、抵抗アセンブリ３０８、ワイヤ３０７および３０９およびヒートシンク３６０の必要性を排除する一方、さらに、整流回路を必要とすることなく、有用なレベルの電力を提供する。
【００４１】
図４は、本発明の原理に従って構築されるナノメートルスケールの電気機械式システム４００の一部分の別の実施形態である。図４に示されるシステム４００の一部分は、（図３に関連して上述されたように）それぞれが圧電性ジェネレータ３０４、３２４および３４４の１つに接続される３つのパドルアセンブリ４０２、４２２および４４２を含む。
【００４２】
図４に示されるように、パドルアセンブリ４０２、４２２および４４２の各々は、衝撃質量４９０、および、実質的に衝撃質量４９０に垂直なように衝撃質量４９０にマウントされた多数のナノチューブ４９２を含む。例えば、各ナノチューブ４９２は、カーボン等の材料で構築され得、約２ナノメートルの半径および約２５〜５０ナノメートルの高さを有する（当業者には、ナノチューブ４９２の大きさを、本発明の意図から逸脱することなく変化させ得ることが理解される）。さらに、ナノチューブ４９２の堅さおよび配列は、図７に示される電圧等の静電気電圧の印加によって制御され得、以下に説明される。
【００４３】
システム４００は、システム３００に対して前述されたものとまさに同一の方法で、動作する。パドル４０２、４２２および４４２についての気圧の統計的ばらつきにより、パドル４０２の自由端は上下に振動させられ、それにより、圧電性材料の伝導性外部層に圧力を生成する圧電性材料に、変形が生じる。しかし、システム４００では、システム４００のけるパドルの上下運動は、さらなる分子衝撃を引き起こすナノチューブによって増強され得る。
【００４４】
圧電性材料の外部伝導性層は、抵抗アセンブリが接触し、その結果、電流が流れ、抵抗が加熱される。例えば、ワイヤ３０７および３０９によって形成される熱電ジェネレータは、より低い温度にある加熱された抵抗およびヒートシンク３６０の間にある。温度差により、熱電ジェネレータが電圧を生成させる。
【００４５】
図５および６は、ナノメートルスケールの電気機械式システム５００の２つの類似した構成を示し、それぞれは、本発明の原理に従って構築される。システム５００および６００の各々は、ジェネレータ３０４に接続される複数のパドルアセンブリ３０２を含み、ジェネレータ３０４それ自体は、ヒートシンク３６０に接続されるワイヤ３０７および３０９に接続される。このことは、例えば、図３のシステム３００の一部分を見出し得る場所を示す点線の四角を見ることによって、より明らかになる。図５および６に示されるように、システム５００および６００の各々は、９０個のパドルアセンブリ３０２、および、関連するコンポーネント（すなわち、ジェネレータ、ワイヤおよびヒートシンク）を含む。
【００４６】
実際、本発明に従って構築されるナノメートルスケールの電気機械式システムは、単一の基板上に１０億かそれ以上のパドルアセンブリを含み得る。単一の基板上の各熱電ジェネレータから伸びるワイヤの各ペアにわたる出力電圧は、本発明に従うと、直列に共して接続されて、システムに対して単一の出力信号を提供する。この出力信号は、利用される個々のコンポーネントの数、および、これらのコンポーネントを製造するために利用される特定の製造技術に依存して、ボルトのオーダーであり得る電圧を有し得る。システム５００および６００の主要な差異は、システム５００が負荷抵抗５０２を含むが、システム６００は含まないことである。
【００４７】
当業者には、負荷抵抗５０２が基板３７０にマウントされている様子が示されるが、作用流体から負荷抵抗を熱的に絶縁することが好ましくあり得ることが理解される。流体には、基板３７０が浸されて、その結果、負荷抵抗５０２により消散した熱は、作用する液体の温度に影響を与えない。
【００４８】
図７は、本発明の原理に従って構築されるナノメートルスケールの電気機械式システム７００の別の実施形態を示す。システム７００は、コンデンサ７０８の上部プレートおよび下部プレート７０６の間に位置するナノチューブ７０２のアレイと、コンデンサ７０８のプレートにわたって接続されもする電圧７１０のソースとを含む。各ナノチューブ７０２は、例えば、カーボン等の材料で構築され得、約２ナノメートルの半径および約２５〜５０ナノメートルの高さを有する（当業者には、ナノチューブ７０２の大きさを、本発明の意図から逸脱することなく変化させ得ることが理解される）。
【００４９】
各ナノチューブ７０２の一端は、コンデンサ７０８の下部プレート７０６に固定される。各ナノチューブ７０２の他の端部は、移動が自由である。続いて、アセンブリ全体７００は、典型的には、流体に浸される（すなわち、気体または液体）。一旦、電圧Ｖがコンデンサ７０８のプレートにわたってソース７１０から印加されると、コンデンサプレート７０４および７０６の表面に実質的に垂直に向けられるナノチューブ７０２の長さを保つのに役立つ力を生成する、電界Ｅが生成される。ナノチューブ７０２にぶつかるように作用流体分子の速度および方向における統計的ばらつきにより、図８および９に示されるようなナノチューブ７０２を突飛に移動させるナノチューブ７０２についての流体圧力における、統計的ばらつきを発生させる。
【００５０】
図８に示されるように、ナノチューブ８０２および８２２（単に、任意の２つの隣接したナノチューブ７０２である）は、個々の分子１１０が各ナノチューブに最近衝突したとしても、下部コンデンサプレート７０６に実質的に垂直である。この例では、ナノチューブのどちらの側における気圧にもばらつきは存在せず、チューブは、垂直のままである。当業者には、２つのナノチューブの相互作用が図示されるが、数千または数百万のナノチューブの分子衝撃が同時に発生することが理解される。
【００５１】
一方、図９は、作用流体分子の熱運動におけるばらつきの結果として生じる、ナノチューブ９０２および９２２（単に２つの隣接するナノチューブ７０２であるナノチューブ８０２および８２２と同様）についての流体圧力における統計的ばらつきの効果を示す。作用流体分子の熱運動により、ナノチューブ９０２および９２２の自由端は、位置９３０で衝突させられる。衝突するナノチューブ９０２および９２２の運動エネルギーは、接触による摩擦、かつ、チューブの互いの滑りの結果として、部分的に熱エネルギーに変換される。熱エネルギーは、ナノチューブ９０２および９２２の長さを下って、熱伝導性プレート７０６まで伝導される。
【００５２】
さらに、図８および９に示されるように、各ナノチューブ７０２（またはナノチューブ８０２、８２２、９０２および９２２）は、コンデンサプレート７０４および７０６の間の電界Ｅによる静電気荷電を有する。ナノチューブ９０２および９２２の衝突は、さらに、続いてナノチューブの自由端で電磁波を生成する電気的帯電を加速することによって、チューブの運動エネルギーを消散させる。この態様では、電磁気的エネルギーの結果として、作用物質を冷却し、かつ、下部コンデンサプレート７０６を加熱する正味の効果が生じるので、作用流体の運動エネルギーの一部分は、下部コンデンサプレート７０６、および、周りの空間まで伝えられる。次に、この温度差は、空間の領域を直接加熱するまたは冷却するためか、あるいは、熱エンジンに電力を与えるために利用され得る。
【００５３】
図１０は、本発明に従って構築されるナノメートルスケールの電気機械式アセンブリ１０００の別の実施形態を示す。アセンブリ１０００は、全て、基礎１００４に接続される多くのナノチューブ１００２を含む。前述の実施形態とは異なり、ナノチューブ１００２は、それらの上部の端部で閉じられ、それにより、気体分子は、各ナノチューブ１００２内に捉えられる。さらに、図１０に示されるように、各ナノチューブ１００２における少なくとも１つの分子は、電気的に帯電される（例えば、個々のナノチューブ１０１２は、少なくとも１つの正に帯電した分子を含むが、個々のナノチューブ１０２２は、少なくとも１つの負に帯電した分子を含む）。
【００５４】
アセンブリ１０００は、チューブの半分が正の荷電を含み、残りの半分が負の荷電を含む状態で、アセンブリのナノチューブ１００２の正味の帯電がゼロであるように構成される。この実施形態では、帯電した分子が、ナノチューブの壁およびナノチューブ内の他の分子に対して跳ね返るので、帯電の加速の結果として、周りの空間までチューブアセンブリを通過する電磁波を生成する。電磁放射の結果として、ナノチューブ１００２内の気体は冷えて、熱伝導性基礎１００４を冷却する。この例では、基礎１００４の低減された温度は、当業者に理解されるように、大量の流体を冷却するのに活用され得るか、もしくは、熱エンジンの「冷たい側面」として利用され得るかのどちらかである。
【００５５】
図１１は、本発明の原理に従って構築されるナノメートルスケールの電気機械式アセンブリ１１００を示す。アセンブリ１１００は、導電性、かつ、熱伝導性レール１１０４および１１０６のペアの間に接続される一連のナノメートル部材１１０２を含む。この実施形態では、ナノメートル部材１１０２は、ナノチューブ１１０２を、周りの作用物質のランダムな圧力のばらつきに応答して振動せせることができるいくらかの遊びが提供される。レール１１０４および１１０６は、熱伝導性基礎１１０８にマウントされ、かつ、熱的に接触する。
【００５６】
尚、様々な他のナノメートル部材が、本明細書中で述べられるナノチューブの変わりに、本発明に従って利用され得る。例えば、本発明の原理は、非常に小さな繊維に形成され得る本質的に任意の導電性物質を利用して実現され得る。これは、ナノチューブではなく単なるカーボン繊維を含み得る。
【００５７】
図１１および１２に示されるナノメートル部材（以下に述べられる図１３〜１６と同様に）は、例えば、前述のパドルと比較した場合に付加的な機能を実行する。例えば、図１１〜図１６のナノメートル部材は全て、前述の抑制部材およびジェネレータデバイスの機能に貢献する一方で衝撃質量として機能する。さらに、図１１および１２のナノメートル部材はまた、抵抗エレメントとしても機能する（図１３〜１６は、以下に十分に説明されるように抵抗エレメント１３０４を含む）。
【００５８】
熱伝導性基礎１１０８に付加されるのは、本発明の原理に従うと、少なくとも大多数の伝導性基礎１１０８の他のさらされた部分を覆う、熱絶縁性材料１１１０である。絶縁体１１１０の利用は、熱エネルギー欠損の防止を補助する。さらに、当業者には、これらのシステムおよびアセンブリの効率をさらに増加させるために、同様の絶縁体が上述の実施形態において利用され得ることが理解される。
【００５９】
レール１１０４および１１０６および基礎１１０８に垂直な外部の磁界（図１１において「
【００６０】
【数２】
2004532000.tif 000004
」として示される）は、アセンブリ１１００を貫通する。アセンブリ１１００の動作は、レール１１０４および１１０６の一部分を示し、かつ、２つの個々のナノチューブ１２０２および１２２２（単に２つの隣接したナノチューブ１１０２である）を含む図１２に図示される。作用物質に浸されたナノチューブ１２０２および１２２２は、作用物質の分子の熱運動のランダムなばらつきによって（真直ぐな破線１２０３および１２２３で示される）緩んだ「静止（ｒｅｓｔ）」位置から不規則な態様で移動する。磁界
【００６１】
【数３】
2004532000.tif 000005
の存在するところのナノチューブ１２０２および１２２２の運動は、（図１２に示されるように）ナノチューブ１２０２および１２２２の長さに沿った電界Ｅを誘導する。
【００６２】
電界Ｅは、１つのナノチューブから、１つのレールを下がり、他のナノチューブをわたって、他のレールまで上って流れる流れに対する電流「ｉ」を誘発する（時計回りの電流が図示されているが、ナノチューブの運動の方向が変化する時に、いくつかの他の点で反時計周りであり得、それによりＡＣ電流を生成し得る）。ナノチューブおよびレールを通る電流により、抵抗性加熱が発生し、かつ、ナノチューブおよびレールに沿って伝導性基礎１１０８まで熱を伝わせる。ナノチューブを取り囲む流体（気体または液体のどちらか）は、基礎１１０８が加熱される一方で冷え、それにより、様々な方法（上述された熱ポンプ、または熱エンジン等）で利用され得る温度差を確立する。
【００６３】
図１３〜１６は、アセンブリ１３００における本発明の原理に従った絶縁体の利用をさらに図示したものを示す。アセンブリ１３００は、多くの局面において、図１１のアセンブリ１１００と類似している。アセンブリ１３００はまた、作用物質に浸されたナノチューブ１３０２を含む。さらに、ナノチューブ１１０２に関連して上述されたように、ナノチューブ１３０２は、遊びが導入されて、その結果、作用物質の分子の熱運動のランダムな変動によって、不規則な態様で移動し得る。
【００６４】
アセンブリ１３００は、外部の磁界
【００６５】
【数４】
2004532000.tif 000006
に依存する。上述されたように、磁界
【００６６】
【数５】
2004532000.tif 000007
を通ったナノチューブ１３０２の運動は、この場合、ナノチューブ１３０２の各々の直接下に配置される抵抗１３０４を通って導かれる流れに対するＡＣ電流を誘発する。抵抗１３０４の値は、ナノチューブの約２倍の抵抗であるように選択され得、この場合、生成される電力の大多数は、抵抗を通った熱として消散する。
【００６７】
アセンブリ１３００は、抵抗１３０４が絶縁体層１３１０の下にあり、かつ、熱伝導性シート１３１２上に配置されるように構成される。このことは、生成される電力のほとんどを導く結果となり、作用流体まで熱を上げるのではなく、アセンブリ１３００まで熱を下げる。さらに、レールを利用するのではなく、アセンブリ１３００は、ポスト１３０６を活用することにより、上昇した温度にある制限された量だけの表面領域が、作用流体にさらされる。抵抗１３０４、ポスト１３０６および抵抗リードは、伝導性層１３１２の上部に堆積される電気的絶縁体１３１４の薄い層によって、熱伝導性シート１３１２から電気的に絶縁される。
【００６８】
抵抗１３０４からの熱は、熱伝導性シート１３１２の温度を上昇させる。導電性シート１３１２の底は、熱電ジェネレータ１３３４の「ＨＯＴ」部分１３３０と熱的に接触する（シート１３１２は、電気的絶縁シート１３１６を介して、熱い部分１３３０から電気的に絶縁される）。第２の熱伝導性シート１３２２は、熱電ジェネレータ１３３４の「ＣＯＬＤ」部分１３３２と熱的に接触する（一方で、２つは、薄い層１３１８によって電気的に絶縁される）。この態様では、生成される熱は、抵抗１３０４からアセンブリ１３００を通って下へ導かれ、かつ、下部層１３２２の底の外へ導かれる。
【００６９】
熱電ジェネレータ１３３４のＨＯＴおよびＣＯＬＤ部分（それぞれ、１３３０および１３３２）の間の温度差は、各接点にわたってＤＣ電圧を生成する。多数のこれらの接点を共して直列に相互接続することによって、アセンブリ１３００は、他の実施形態のために上述されたように、約少なくとも１ボルトであり得る利用可能な電圧を提供するために利用され得る。アセンブリ１３００がロードを駆動するために利用され、その結果、負荷が熱電ジェネレータ１３３４に直列に接続され、かつ、作用流体が、冷却されているか、もしくは、所定の温度範囲内に維持されている場合、作用流体から負荷を離して保つことによって、システムの効率の改善が達成され、その結果、負荷において消散した電力が、作用流体の温度に影響を与えない。
【００７０】
さらに、図１５でより明確に示されるように、熱的絶縁体の付加的な層は、アセンブリ１３００のＣＯＬＤ部分からアセンブリ１３００のＨＯＴ部分を分離するために利用される。特に、アセンブリ１３００はまた、伝導性シート１３１２とＣＯＬＤ部分１３３２との間に挟まれた絶縁体層１３４２を含む（実際は、示されるように、層１３４２は、電気的絶縁体層１３１６の下にある）。一方、絶縁体層１３５２は、第２の伝導性シート１３２２とＨＯＴ部分１３３０との間に配置される（実際は、示されるように、層１３５２は、電気的絶縁体層１３１８の真下にある）。これらの絶縁体層は、熱電ジェネレータのＨＯＴとＣＯＬＤ部分との間の温度差を増加させ、それにより、熱電ジェネレータ１３３４の電気的出力を増加させる。
【００７１】
アセンブリ１３００の動作は、アセンブリ１１００と同様であり、図１６を参照して説明される。外部の磁界
【００７２】
【数６】
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におけるナノチューブ１３０２の運動は、図１６に示されるような流れに対する電流「ｉ」を誘発する。しかし、この場合、対応する抵抗１３０４と共に、個々のナノチューブ１３０２からの電流は、内臓式回路内に残っている。例えば、個々のナノチューブ１３４２で誘発された電流は、アセンブリ１１００に関連して述べられたように、隣接するナノチューブと相互作用するよりもむしろ、各抵抗１３４４と「絶縁された」回路内に残っている。再び、当業者には、２つのナノチューブの運動が図示されているが、数百万または数十億のナノチューブが同時に発生することが理解され得る。
【００７３】
当業者には、各熱電ジェネレータ部分が、各個々のナノチューブ１３０２に対して利用可能である可能性があり得るが、そのような構成を実現するのは、現実的ではない、および／または、非常に効果である可能性があることが理解されるべきである。従って、本発明に従って、数百万でなくともいくらかのナノチューブ１３０２が、熱電ジェネレータ１３３４の各部分に熱的に接続される可能性がより高い。
【００７４】
図１７は、作用物質に浸される対象が、作用物質分子の分子衝撃のばらつきの結果として、制御可能な方向で対象へ移動する、本発明に従って構築される推進システム１７００を示す。システム１７００は、球１７０２と、電子機器磁心１７１６の周りに軸方向に整えられた（軸方向は、単に、電子機器磁心１７１６の６つの側面の各々に並行に配置される１つの電子磁石が存在し、かつ、各電子磁石が、磁心表面に垂直に伸びる想像上の軸に沿って整列する中心を有し得るという事実を表す）一連の電子磁石１７０４、１７０６、１７０８、１７１０、１７１２および１７１４（１７１２および１７１４は、破線の単一ペアとして示される）とを含む。この電子磁石は、以下により詳細が述べられるように、制御システムと共に、球１７０２を推進させるのを助ける駆動システムを形成する。
【００７５】
球１７０２は、任意の３次元の物体であってもよい。球が図示されるが、立方体、円柱等の他の形状が利用され得る。球１７０２の表面は、図１１〜１６を参照して上述されたように、いくらかの遊びを有する表面にマウントされる、一連のナノチューブ等のナノメートルスケールのアセンブリで覆われる。
【００７６】
電子磁石１７０４、１７０６、１７０８、１７１０、１７１２および１７１４は、例えば、電池またはいくらかの他のソースから電力を与えられ得る。任意の場合において、外部電力は、以下に示されるように、適切な電子磁石に対して提供される電子機器磁心１７１６に対して提供される。
【００７７】
球１７０２がゼロでない温度で維持される流体に位置すると仮定すると、電子磁石１７０４等の１つの電子磁石がエネルギーを与えられる場合、結果として生じる磁界１７１８は、ナノチューブアセンブリと共に、表面上で流体圧力を直ちに下げる。低減された圧力は、球１７０２を方向１７２０に移動させる（推進力が十分に強い場合）。例えば、電子磁石１７１０がまたエネルギーを与えられ、それにより、磁界１７２２が確立される場合、力１７２４がまた、球１７０２に影響を与える。この例では、球１７０２は、磁性軸１７１８および１７２２から離れたベクトル４５度に沿って（矢印１７２６で示される）推進される。各電子磁石に供給される電流を変化させることによって、流体を通る球１７０２の運動が、制御され得る。
【００７８】
前述の説明から、当業者には、本発明が、エネルギーの１つの形態を別の形態へ変換するために利用され得るナノメートルスケールの電気機械式アセンブリおよびシステムを提供することが理解される。これらのアセンブリおよびシステムは、例えば、熱エンジン、熱ポンプまたは推進デバイスを提供するために利用され得る。さらに、当業者には、本明細書中に記載される様々な構成は、本発明から逸脱することなく結合され得ることが理解される。例えば、図４に示されるナノチューブは、示される構成ではなく、図４の圧電性ジェネレータに直接マウントされ得る。また、本発明は、本明細書中に開示される形態以外の他の多くの他の形態をとり得ることが理解される。従って、本発明は、開示された方法、システムおよび装置に制限されないが、以下の特許請求の範囲内の改変および改良を含むことが意図されることが強調される。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１Ａ】図１Ａは、本発明に従って構築されるナノメートルスケール電気機械式システムの一部分の説明概略図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、本発明の原理に従って構築される変換回路の１つの実施形態の説明概略図である。
【図２】図２は、本発明の原理に従って構築される別のナノメートルスケール電気機械式システムの一部分の説明概略図である。
【図３】図３は、本発明の原理に従って構築されるナノメートルスケール電気機械式システムの一部分の透視図である。
【図４】図４は、本発明の原理に従って構築される別のナノメートルスケールの一部分の透視図である。
【図５】図５は、本発明の原理に従って構築されるナノメートルスケール電気機械式システムの説明概略図である。
【図６】図６は、本発明の原理に従って構築される別のナノメートルスケール電気機械式システムの説明概略図である。
【図７】図７は、本発明の原理に従って構築される別のナノメートルスケール電気機械式システムの透視図である。
【図８】図８は、図７のナノメートルスケール電気機械式システムの一部分の説明概略図である。
【図９】図９は、図７のナノメートルスケール電気機械式システムの一部分の別の説明概略図である。
【図１０】図１０は、本発明の原理に従って構築される別のナノメートルスケール電気機械式システムの断面図である。
【図１１】図１１は、本発明の原理に従って構築される別のナノメートルスケール電気機械式システムの透視、部分的断面図である。
【図１２】図１２は、図１１のナノメートルスケール電気機械式システムの一部分の説明概略図である。
【図１３】図１３は、本発明の原理に従って構築される別のナノメートルスケール電気機械式システムの透視、部分的断面図である。
【図１４】図１４は、図１３のナノメートルスケール電気機械式システムの一部分の説明概略図である。
【図１５】図１５は、線１４−１４に沿った図１３のナノメートルスケール電気機械式システムの断面平面図である。
【図１６】図１６は、図１３のナノメートル電気機械式システムの一部分の説明概略図である。
【図１７】図１７は、本発明の原理に従って構築される電気機械式推進力の説明概略図である。
【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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