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Hintergund
der Erfindung
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Diese
Erfindung betrifft elektromechanische Systeme im Nanometerbereich.
Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung elektromechanische
Systeme im Nanometerbereich, welche für verschiedene Anwendungsgebiete
verwendet werden können,
z. B. für
Wärmekraftmaschinen,
Wärmepumpen
oder für
Antriebssysteme.
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Elektromechanische
Systeme, welche auf der Molekularbewegung beruhen, sind bekannt.
Zum Beispiel beschreibt das US-Patent 4 152 537 (Das „'537-Patent") einen elektrischen
Generator, welcher elektrische Energie aus der Zufallsbewegung von Molekülen in einem
Gas und der ungleichmäßigen Verteilung
der thermischen Energie in verschieden Molekülen des Gases, welches eine
gleichmäßige Gesamttemperatur
aufweist, erzeugt.
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Andere
solche Systeme sind z. B. in den US-Patenten 3 365 653; 3 495 101,
2 979 551; 3 609 593; 3 252 013 und 3 508 089 beschrieben. Diese Systeme
erzeugen Elektroenergie, oder Vorrichtungen werden durch Elektroenergie
angetrieben, z. B. ein Oszillator, der auf der Molekularbewegung
und thermischer Energie basiert.
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Ein
Problem, das all diesen Systemen gemeinsam ist, besteht in der geringen
Höhe der
Ausgangsenergie im Vergleich zur Energiemenge, die zum Betrieb der
Systeme erforderlich ist. Zum Beispiel benötigen die Systeme oft eine
bestimmte Energiemenge, um die Systeme auf einer konstanten Gesamttemperatur
zu halten. Obwohl das '537-Patent versucht,
einige der bekannten Nachteile in diesen Systemen zu überwinden,
besitzt der darin beschriebene elektrische Generator ähnliche
Nachteile. Das '537-Patent
versucht z. B., die Thermoelement-Verbindung zwischen zwei unterschiedlichen
Materialien zu erwärmen,
indem sie einfach mit einem Gasmolekül in Kontakt gebracht wird,
das eine überdurchschnittliche
Geschwindigkeit auf weist. Außerdem verwendet
das '537-Patent
eine Anordnung von elektrischen Gleichrichtern (siehe z. B. die
Gleichrichterbrücke 40 in
den 2 und 4), welche Schwierigkeiten bei
der ordnungsgemäßen Funktion
infolge der unendlich kleinen Spannungen, die im molekularen Maßstab erzeugt
werden, bereiten kann.
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Weil
weiterhin die Anwendung elektronischer Geräte boomt, besteht eine ständig steigende
Nachfrage nach effizienteren und/oder geräuschloseren Wegen, um Bauteile
zu kühlen,
welche typischerweise das Herz dieser Geräte bilden. Zum Beispiel enthalten
die meisten Personalcomputer einen oder mehrere Lüfter, welche
erforderlich sind, um die Temperatur des Mikroprozessors innerhalb
eines bestimmten Funktionsbereiches zu halten. Diese Lüfter sind
oft laut, und oft werden große
Mengen von verschmutzter Luft von den Lufteingängen durch den Computer gezogen.
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Es
ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, elektromechanische
Systeme im Nanometerbereich zu schaffen, die Molekularenergie effektiv in
eine andere Form umwandeln, welche im makroskopischen Ausmaß verwendet
werden kann.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, elektromechanische
Systeme im Nanometerbereich zu schaffen, welche molekulare Wärmeenergie
effektiv in anwendbare mechanische und/oder elektrische Energie
umwandeln.
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Noch
eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, elektromechanische
Systeme im Nanometerbereich zu schaffen, welche molekulare Energie
verwenden, um eine Druckdifferenz an der Oberfläche eines Objektes zu erzeugen
und das Objekt in einer steuerbaren Richtung anzutreiben.
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Schließlich besteht
eine weitere Aufgabe der Erfindung darin, elektromechanische Systeme
im Nanometerbereich zu schaffen, welche molekulare Energie verwenden,
um eine externe Substanz zu erwärmen
oder zu kühlen.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die
vorstehenden Aufgaben werden durch ein Energieumwandlungssystem
nach dem anliegenden Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen
sind in den abhängigen
Ansprüchen dargelegt.
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Die
erfindungsgemäßen elektromechanischen
Systeme im Nanometerbereich wandeln molekulare Energie effektiv
von einer Form in eine andere Form um, indem sie die Geschwindigkeit
der Moleküle
innerhalb einer Arbeitssubstanz vermindern. Diese Systeme können z.
B. eine Wärmekraftmaschine
umfassen, welche molekulare Wärmeenergie
in nutzbare mechanische oder elektrische Energie umwandelt. Die
Systeme können
auch eine Wärmepumpe
enthalten, welche die molekulare Energie nutzt, um eine Substanz
entweder zu erwärmen
oder zu kühlen. Zum
Beispiel kann ein erfindungsgemäßes System an
einem Mikroprozessor als primäre
Kühlvorrichtung
befestigt werden, so dass nur ein kleiner oder gar kein Lüfter erforderlich
ist. Außerdem
können
diese Systeme auch Antriebssysteme umfassen, in welchen Molekularenergie
verwendet wird, um eine Druckdifferenz auf der Oberfläche eines
Objektes zu erzeugen und dadurch die Möglichkeit zu schaffen, das
Objekt in einer steuerbaren Richtung anzutreiben.
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Elektromechanische
Systeme im Nanometerbereich, welche erfindungsgemäß strukturiert sind,
können
eine große
Anzahl von Objekten im Nanometerbereich, z. B. Platten, Prallmassen
und/oder Rohre umfassen, welche in einer Flüssigkeit oder in einem Gas
angeordnet sind. Diese Objekte können die
Größenordnung
von mehreren Nanometern pro Seite aufweisen sowie eine Dicke in
der Größenordnung
von etwa einem oder zwei Nanometern besitzen. Eine Seite der Platte
ist mit einer flexiblen, federartigen Befestigung verbunden, welche
die Platten mit einer gemeinsamen Basis verbinden. Mit jeder Platte
ist außerdem
eine gewisse Form einer Generatorvorrichtung verbunden, z. B. als
piezoelektrische, elektromotorische Kraft oder als elektrostatischer
Generator, welche die molekulare Zufallsbewegung in elektrische,
elektromagnetische oder thermische Energie umwandeln.
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Die
Platten im Nanometerbereich reduzieren in Verbindung mit einem angeschlossenen
Generator die Geschwindigkeit der einzelnen Moleküle, was
zu einer Verminderung der thermischen Energie innerhalb des Arbeitsfluids
führt.
Die erzeugte elektrische Energie kann in thermische Energie mit
einer höheren
Temperatur als das Arbeitsfluid rückverwandelt und zur Schaffung
eines Temperaturunterschiedes genutzt werden, welcher die Ausführung von
nutzbarer Arbeit ermöglicht.
Im Wesentlichen sind die Platten so gestaltet, dass sie in eine
Arbeitssubstanz eintauchen. Die Platten bewegen sich innerhalb der
Arbeitssubstanz infolge der Veränderung
der thermischen Bewegung der Moleküle der Arbeitssubstanz in zufälliger Weise.
Diese Bewegung erfolgt zwangsläufig
durch die Kollisionen zwischen den Molekülen der Arbeitssubstanz und
den Platten, welche groß genug
sind, um die Platten zum Schwingen zu bringen. Die kinetische Energie
von diesen Schwingungen kann dann durch verschiedene Verfahren,
die zuvor beschrieben wurden, in elektrische, elektromagnetische
oder thermische Energie umgewandelt werden.
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Die
elektromagnetischen Systeme im Nanometerbereich, die erfindungsgemäß strukturiert
sind, schaffen auch Bauteile, welche die Ausgänge der zahlreichen Platten
effektiv sammeln und zusammenfassen, so dass ein nutzbarer elektrischer
Ausgang erzeugt wird. Zum Beispiel umfasst eine erfindungsgemäße Ausführungsform
die Verwendung einer Matrix von Widerstandselementen, eines für jede Platte,
welches sich in Kontakt mit einer Seite des Thermoelements befindet.
Die andere Seite des Thermoelements ist in thermischem Kontakt mit
etwas anderem angeordnet, das sich in Höhe der Umgebungstemperatur
befindet (z. B. einem Gas oder einer Flüssigkeit). Jedes der Thermoelemente
erzeugt einen Ausgang (d. h. einen Gleichstrom sowie eine Spannung),
welche durch eine einfache Reihenschaltung zusammengefasst werden
können,
um einen Ausgang zu erzeugen, der in Abhängigkeit von der Anzahl der
Platten und der Form die Größenordnung
von einigen Milliwatt haben kann.
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In
einer speziellen Ausführungsform
kann ein erfindungsgemäßes elektromechanisches
System im Nanometerbereich eine Matrix von Nanorohren umfassen,
z. B. Rohren, die aus Karbon hergestellt sind, welche zwischen zwei
Platten eines Kon densators befestigt sind. Eines der Rohre ist körperlich
mit einer Platte des Kondensators verbunden, während das andere Ende frei
beweglich ist. Die gesamte Anordnung befindet sich in einem Fluid
(d. h. einer Flüssigkeit
oder einem Gas). Eine Spannung wird (über die Platten) an den Kondensator
angelegt, welcher ein elektrisches Feld („E") erzeugt, das die Längsseite der Rohre senkrecht
zur Fläche
der Kondensatorplatte hält.
Die „freien" Enden der Rohre, welche
sich in einer Arbeitssubstanz befinden, bewegen sich infolge der
Kollisionen zwischen dem Molekülen
der Arbeitssubstanz und der Rohre unregelmäßig und bewirken, dass einige
der Rohre miteinander kollidieren. Die kinetische Energie der kollidierten Rohre
sowie weitere Energie kann, wie zuvor beschrieben, für einen
oder mehrere nutzbare Zwecke umgewandet werden.
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Bei
einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform
werden zahlreiche Nanorohre an jedem Ende mit einer elektrisch und
thermisch leitenden Schiene verbunden. Jedes der Rohre ist so installiert,
dass sich ein Spiel oder eine Biegung in dem Rohr befindet. Das
Spiel ermöglicht
es den Rohren, in Reaktion auf zufällige Druckänderungen des umgebenden Fluids
(Gas oder Flüssigkeit)
zu schwingen. In diesem Fall wird ein äußeres magnetisches Feld ("B")
an der gesamten Baugruppe erzeugt, welches senkrecht zu den Rohren
und Schienen verläuft.
Wärme,
die in den Rohren durch induzierten Strom erzeugt wird, fließt durch
die Rohre zu den thermisch leitenden Schienen, welche mit einer
thermisch leitenden Platte verbunden sind.
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Weitere
Merkmale der Erfindung, deren Wesen und verschiedene Vorteile werden
durch die anliegenden Zeichnungen und die folgende detaillierte Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsformen weiter
verdeutlicht.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Die
vorstehenden sowie weitere Aufgaben und Vorteile der Erfindung sollen
beim Studium der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit
den anliegen den Zeichnungen weiter verdeutlicht werden, wobei gleiche
Bezugszeichen sich durchgehend auf gleiche Teile beziehen, und in
welchen:
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1A eine
anschauliche schematische Darstellung eines Teiles eines elektromechanischen Systems
im Nanometerbereich zeigt, welches erfindungsgemäß strukturiert ist;
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1B eine
anschauliche schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Wandlungsschaltung
zeigt, die entsprechend den erfindungsgemäßen Grundlagen strukturiert
ist;
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2 eine
anschauliche schematische Darstellung eines Teiles eines anderen
elektromechanischen Systems im Nanometerbereich zeigt, welches entsprechend
den erfindungsgemäßen Grundlagen strukturiert
ist;
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3 eine
perspektivische Ansicht eines Teiles eines elektromechanischen Systems
im Nanometerbereich zeigt, welches entsprechend den erfindungsgemäßen Grundlagen
strukturiert ist;
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4 eine
perspektivische Ansicht eines Teiles eines anderen elektromechanischen
Systems im Nanometerbereich zeigt, welches entsprechend den erfindungsgemäßen Grundlagen
strukturiert ist;
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5 eine
anschauliche schematische Darstellung eines elektromechanischen
Systems im Nanometerbereich zeigt, welches entsprechend den erfindungsgemäßen Grundlagen
strukturiert ist;
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6 eine
anschauliche schematische Darstellung eines weiteren elektromechanischen
Systems im Nanometerbereich zeigt, welches entsprechend den erfindungsgemäßen Grundlagen
strukturiert ist;
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7 eine
perspektivische Ansicht eines weiteren elektromechanischen Systems
im Nanometerbereich zeigt, welches entsprechend den erfindungsgemäßen Grundlagen
strukturiert ist;
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8 eine
anschauliche schematische Darstellung eines Teiles des elektromechanischen
Systems im Nanometerbereich nach 7 zeigt;
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9 eine
weitere anschauliche schematische Darstellung eines Teiles des elektromechanischen
Systems in Nanometerbereich nach 7 zeigt;
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10 eine
Querschnittsansicht eines weiteren elektromechanischen Systems im
Nanometerbereich zeigt, welches entsprechend den erfindungsgemäßen Grundlagen
strukturiert ist;
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11 eine
perspektivische teilweise geschnittene Ansicht eines weiteren elektromechanischen
Systems im Nanometerbereich zeigt, dass entsprechend den erfindungsgemäßen Grundlagen strukturiert
ist;
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12 eine
anschauliche schematische Darstellung eines Teiles des elektromechanischen Systems
in Nanometerbereich nach 11 zeigt;
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13 eine
perspektivische teilweise geschnittene Ansicht eines weiteren elektromechanischen
Systems im Nanometerbereich zeigt, die entsprechend den erfindungsgemäßen Grundlagen strukturiert
ist;
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14 eine
anschauliche schematische Ansicht eines Teiles des elektromechanischen
Systems im Nanometerbereich nach 13 zeigt;
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15 eine
Schnittansicht von vorn des elektromechanischen Systems im Nanometerbereich nach 13 zeigt,
wie sie sich entlang der Schnittlinie 14-14 in 14 ergibt;
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16 eine
anschauliche schematische Ansicht eines Teiles des elektromechanischen
Systems im Nanometerbereich nach 13 zeigt,
und
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17 eine
anschauliche schematische Darstellung eines elektromechanischen
Antriebsystems zeigt, welches entsprechend den erfindungsgemäßen Grundlagen
strukturiert ist.
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Detaillierte
Beschreibung der Erfindung
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1A zeigt
ein anschauliches Beispiel eines Teiles eines elektromechanischen
Systems im Nanometerbereich, welches erfindungsgemäß strukturiert
ist. Der dargestellte Bereich umfasst eine Prallmasse in Form einer
Platte 100, ein Halteteil 102, eine Generatoreinrichtung 104 (welche
einen elektrischen Ausgang an den Anschlüssen 106 erzeugt)
sowie eine Basis 108 (welche typischerweise Tausend- oder
Millionenfach größer ist
als die Platte 100). Die Platte 100 ist an der
Basis 108 befestigt, welche thermisch leitfähig sein
kann aber nicht sein muss, so dass die Platte 100 innerhalb
eines vorbestimmten Distanzbereiches in einer oder mehreren Richtungen (z.
B. seitlich, oder nach oben und unten) bewegt werden kann. Ein vollständiges Energieumwandlungssystem,
welches Anordnungen im Nanometerbereich verwendet, umfasst in typischer
Weise eine Million oder mehr der in 1A dargestellten
Vorrichtungen, was im Weiteren noch deutlicher wird (siehe z. B.
die 5 und 6).
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Die
Platte 100 kann z. B. aus einer Substanz wie Karbon oder
Silizium hergestellt sein, wenngleich die Fachwelt erkennt, dass
Veränderungen
hinsichtlich des Materials der Platte 100 durchgeführt werden können, ohne
das eine Abweichung vom Erfindungsgedanken vorliegt. Weiterhin kann
die Platte 100 im Wesentlichen unter Anwendung der bekannten
Halbleiter-Herstellungstechnologien, z. B. durch Sputtern, Ätzen, Fotolithografie
hergestellt werden.
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Außerdem kann
die Platte 100 so strukturiert sein, dass jede Seite etwa
fünf Nanometer
misst und sie eine Höhe
von etwa einem bis zwei Nanometer aufweist, wobei diese Größe so gewählt ist,
dass die Wirkung der Brownsche Bewegung groß genug ist, um die Trägheit der
Platte 100 und der Federkonstanten des Halteteils 102 zu überwinden.
Fachleute werden erkennen, dass die spezielle Größe der Platte 100 hinsichtlich
der Grundfunktion der vorliegenden Erfindung nicht kritisch ist,
vorausgesetzt, dass die Platte 100 in der Lage ist, sich
in unregelmäßiger Weise
innerhalb der Arbeitssubstanz als Ergebnis der zufälligen Veränderungen
in der Geschwindigkeit der Moleküle
der Arbeitssubstanz, welche auf die Platte 100 auftreffen,
zu bewegen.
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1A zeigt
auch, dass das Molekül 110, welches
dargestellt ist, wie es von der Platte 100 abprallt, sich
nunmehr mit verminderter Geschwindigkeit weiter bewegt. Fachleute
werden erkennen, dass, obwohl einige Moleküle infolge des Aufpralles eine
verminderte Geschwindigkeit besitzen, andere nur wenig Veränderung
in der Geschwindigkeit zeigen und andere tatsächlich eine erhöhte Geschwindigkeit
annehmen. Im Allgemeinen jedoch und in Übereinstimmung mit der Erfindung
führt der
Aufprall des Moleküls 110 auf
die Platte 100 im Durchschnitt zu einer Verminderung der
Geschwindigkeit.
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Das
Molekül
ist ein Molekül
der Arbeitssubstanz des Systems, welche bevorzugt ein Fluid (d.
h. ein Gas oder eine Flüssigkeit)
ist, jedoch auch ein Feststoff sein kann. Das Fluid kann auf atmosphärischen
Druck gehalten werden, oder es kann einen erhöhten Druck, z. B. einen Druck
oberhalb von etwa 105 Pa (15 PSI) aufweisen.
Wie vorstehend beschrieben kann der Druck des Arbeitsfluids Einfluss
auf den Ausgang nehmen, der durch das System erzeugt wird. Das Molekül 110 trifft
auf die Platte 100, wodurch das Molekül 110 eine Verminderung
der Geschwindigkeit erfährt.
Die Verminderung der Geschwindigkeit entspricht einer Verminderung
in der Temperatur der Arbeitssubstanz des Systems.
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Die
Verminderung der Geschwindigkeit des Moleküls 110 wird durch
die Platte 100 in Verbindung mit der Vorrichtung 104 bewirkt,
wobei die Vorrichtung irgendeine von verschiedenen Vorrichtungen sein
kann, ohne dass sie von der vorliegenden Erfindung abweicht. Zum
Beispiel kann die Vorrichtung 104 eine piezoelektri sche
Vorrichtung sein, oder sie kann eine elektromotorische Kraft oder
ein elektrostatischer Generator sein. In jedem Fall wandelt die Vorrichtung 104 Energie
der auftreffenden Masse beim Auftreffen des Moleküls 110 auf
die Prallmasse 100 in elektrische Energie um, welche über die
Anschlüsse 106 ausgegeben
wird.
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Die
Menge der elektrischen Energie, welche über die Anschlüsse 106 ausgegeben
wird, ist selbst unter günstigsten
Bedingungen sehr klein. Zum Beispiel bewegt sich der Ausgang der
Platte 100 in der Größenordnung
von etwa 10–12 Watt,
je nach Größe der Vorrichtung
und der verschiedenen anderen Faktoren. Dementsprechend ist es erforderliche,
dass das System, um eine nutzbare Ausgangsleistung, z. B. von wenigen
Mikrowatt zu erzeugen, Millionen solcher Platten umfasst, in das
sie in der Art miteinander verbunden sind, dass die Ausgänge von
allen oder im Wesentlichen von allen zu einem einzigen Ausgangssignal
zusammengefasst werden können.
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Wenn
etwa eine Million Platten 100 in einer Matrix zusammen
angeordnet sind (siehe z. B. 5 und 6),
kann ein Weg, um die gesamte Energie von jeder dieser Platten zusammenzufassen,
darin bestehen, die Anschlüsse 106 von
jeder Platte 100 mit dem Widerstandselement 112 zu
verbinden (siehe 1B) und das Widerstandselement 112 in
thermischem Kontakt mit einer Seite 114 des Thermoelementes 116 zu
bringen. Die andere Seite 118 des Thermoelementes 116 befindet
sich dann in thermischen Kontakt mit einem Kühlkörper oder irgendeiner anderen
Substanz mit Umgebungstemperatur (welche sogar die Arbeitssubstanz
selbst sein kann). Das Thermoelement 116 ist ein thermoelektrischer
Generator, welcher in Reaktion auf einen Temperaturunterschied eine
Spannung zwischen einem Paar von Anschlüssen und, wenn die Anschlüsse mit
einer Last verbunden sind, einen Gleichstrom erzeugt.
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Unterschiede
bei den molekularen Aufprallen auf die Platte 100 verursachen
ein Ansteigen der Temperatur des Widerstandselementes 112,
welches dann durch das Thermoelement 116 in elektrische Energie
umgewandelt und über
die Anschlüsse 120 ausgegeben
wird. Ein Vorteil der Verwendung von Widerstandselementen be steht
darin, dass sie wegen der ohmschen Last unabhängig von der Polaritätsrichtung
des Stromes sind und kein mit ihrer Platte verbundener Gleichrichter
erforderlich ist. In dieser Weise können erfindungsgemäß selbst
kleinste Spannungen, die durch den Aufprall der Moleküle 110 auf
die Platten 100 erzeugt werden, verwendet werden, um Widerstandselemente
auf verwendbare Werte zu erwärmen.
Jedes Thermoelement in der Matrix erzeugt seinerseits einen Ausgang,
welcher eine Gleichspannung aufweist, sowie einen Strom, wenn eine
elektrische Last angeschlossen ist. Alle diese Ausgänge können dann
miteinander in Serie verbunden werden, um einen Ausgang von mindestens
einigen Mikrowatt zu erzeugen.
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Wenn
zusätzliche
Leistung benötigt
wird, können
zahlreiche Untereinheiten von Platten in Serie miteinander geschaltet
werden. Wenn z. B. eine vorgegebene Untereinheit gebildet wird,
die eine Matrix aus Platteneinheiten umfasst, in welcher jede Einheit
einhundert Quadratnanometer beansprucht, würde eine Einheit von einem
Quadratzentimeter etwa eine Milliarde Platteneinheiten umfassen.
Dann könnte
irgendeine Anzahl von Untereinheiten auf einem Quadratzentimeter
in Serie oder parallel miteinander verkoppelt werden, um das erforderliche
Verhältnis
von Spannung und Strom zu erreichen.
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Außerdem kann
mit einem kombinierten Ausgang in der Größenordnung von etwa 700 mV
der Ausgang von jeder Quadratzentimeter-Einheit sogar unter Verwendung
von konventionellen Halbleiterschaltern gesteuert werden. Somit
kann ein vorgegebenes Bauelement durch Herstellung vieler einzelner Quadratzentimeter-Einheiten
hergestellt werden, die nahe zueinander auf einem dünnen flexiblen
Blatt Material (z. B. aus Aluminium) in einem fortlaufenden Verfahren
hergestellt werden. Die so entstehenden Materialblätter können dann
zugeschnitten und in ein Rohr, ähnlich
dem Herstellungsverfahren von einigen Kondensatoren, zusammengerollt
werden.
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Fachleute
werden erkennen, dass der elektrische Ausgang von diesen Vorrichtungen
pro Flächeneinheit
dem Druck des Fluids, der Durchschnittstemperatur des Fluids, der
Schwingungsfrequenz der Platte und der Masse der verwendeten Fluidmoleküle proportional
ist (gleichgültig
ob das Fluid ein Gas oder eine Flüssigkeit ist).
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Der
Ausgang pro Flächeneinheit
ist umgekehrt proportional zur Größe der Platte, und der Dichte
des Plattenmaterials. Dementsprechend kann durch Wahl eines Schwermolekülgases,
z. B. von Xenon, oder durch Verwendung eines Fluids, das mit schweren
Partikeln beladen ist, z. B. von Luft, die mit Karbonmolekülen beladen
ist, und/oder durch Umkehr der Platten in dem Gas bei erhöhtem Druck,
z. B. bei hundertfachem atmosphärischem
Druck, der Leistungsausgang der Einheiten um einen Faktor über 100
im Vergleich mit Einheiten, die in Luft bei atmosphärischem
Druck arbeiten, erhöht
werden.
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2 zeigt
eine alternative Ausführungsform
der in 1 dargestellten Platteneinheit.
Die Einheit nach 2 unterscheidet sich insbesondere dadurch
von der in 1, dass das Haltelement 102 statt
mit der Basis 108 mit einem Gehäuse 208 gekoppelt
ist. Das Gehäuse 208 ist
eine thermisch leitende Kammer, welche die Fähigkeit besitzt, thermische
Eingänge
(in 2 als „Q" bezeichnet) zu empfangen.
In dieser Ausführungsform
wird der Zufluss von Wärme
Q in elektrische Energie umgewandelt, die über jeden Anschluss 106 ausgegeben
wird. Zusätzlich
kann es, weil die in 1 dargestellte
Einheit kein Gehäuse
umfasst, erwünscht
jedoch nicht tatsächlich
erforderlich sein, diese Einheit ebenfalls in einem Gehäuse anzuordnen,
um es lediglich vor Kontaminationen zu schützen.
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Die
in 2 dargestellte Ausführungsform kann verwendet werden,
um einen der Vorteile der vorliegenden Erfindung zu demonstrieren,
in dem diese erfindungsgemäße Energieumwandlungssysteme
in Nanometerbereich als Wärmepumpe
verwendet werden können.
Zum Beispiel wird das thermisch leitende Gehäuse 208 infolge des
molekularen Aufpralls auf die Platten 100 und die nachfolgende Umwandlung
der kinetischen Energie der Platte in elektrische Energie gekühlt. Warme
oder heiße
Luft kann durch Blasen durch das Gehäuse 208 gekühlt werden.
Andererseits kann die Ohmsche Last 112 in Serie mit den
Anschlüssen 106 geschaltet
werden, was dazu führt,
dass die Temperatur der Ohmschen Last 112 erhöht wird.
Kalte Luft kann erwärmt
werden, in dem sie über
die Ohmsche Last 112 geblasen wird. In dieser Weise kann
die selbe Einheit verwendet werden, um eine äußere Substanz zu erwärmen oder
zu kühlen.
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3 zeigt
eine weitere Ausführungsform
eines Teiles eines elektromechanischen Systems 300 im Nanometerbereich,
welches entsprechend den erfindungsgemäßen Prinzipien strukturiert
ist. Der in 3 dargestellte Teil des Systems 300 umfasst
drei Platteneinheiten 302, 322 und 342,
von denen jede mit einem der piezoelektrischen Generatoren 304, 324 und 344 verbunden
ist. Jede der Platteneinheiten 302, 322 und 342 ist
der Platteneinheit 100 nach 1 in
der Weise ähnlich,
dass jede in 3 dargestellte Platteneinheit
ebenfalls eine im Wesentlichen plane Fläche aufweist, die in der Weise
an ihrem Platz gehalten wird, dass sie sich in Reaktion auf den
Aufprall von Molekülen
bewegen kann. In diesem Beispiel sind die Platteneinheiten 302, 322 und 342 an
einem Ende, welches in 3 mit dem allgemeinen Bezugszeichen 380 versehen
ist, befestigt.
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Jeder
der piezoelektrischen Generatoren ist aus einem Teil von piezoelektrischem
Material und einer Widerstandseinheit gebildet. Der Generator 324, welcher
den Generatoren 304 und 344 im Wesentlichen gleich
ist, wird z. B. dargestellt, um die Teilung zwischen dem piezoelektrischem
Material 326 und der Widerstandseinheit 328 zu
zeigen. Die Teilung zwischen dem piezoelektrischem Bereich und der Widerstandseinheit
kann jedoch auch in 3 bei den Generatoren 304 und 344 erkannt
werden.
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Jede
der Widerstandseinheiten 308, 328 und 348 ist
mit zwei Drähten
verbunden, welche aus unterschiedlichen Material hergestellt sind.
Zum Beispiel wird jeder der Drähte 307, 327 und 347 aus
einem Material hergestellt, während
die Drähte 309, 329 und 349 alle
aus einem unterschiedlichen Material hergestellt sind. Die anderen
Enden von allen Drähten
sind mit einer Reihe von Kühlkörpern 360 verbunden,
welche selbst mechanisch mit einem Substrat 370 gekoppelt
sind (welches z. B. ein Siliziumsubstrat sein kann). Es ist zu beachten,
dass die Platteneinheiten 302, 322 und 342 nur
an einem Ende, das allgemein mit dem Bezugszeichen 380 versehen
ist, mit dem Substrat 370 verbunden sind, so dass z. B.
die Platteneinheiten leicht auf und ab schwingen können.
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Das
System 300 arbeitet erfindungsgemäß wie folgt: Das gesamte System
ist in ein Fluid (d. h. eine Flüssigkeit
oder ein Gas) eingebettet, welches die Arbeitssubstanz darstellt.
Statistische Abweichungen in der Geschwindigkeit der Arbeitssubstanzmoleküle, welche
auf die Platte 302 auftreffen, bewirken z. B., dass das
freie Ende der Platte 302 auf und ab schwingt. Die Abwärts- und
Aufwärtsbewegung
der Platten 302 verursachen eine Spannung im piezoelektrischen
Material 306, welche eine Spannung zwischen der unteren
leitenden äußeren Schicht 385 und
der oberen leitenden Schicht 387 des Materials 306 erzeugt.
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Die äußeren leitenden
Schichten 385 und 387 des Materials 306 befinden
sich im Kontakt mit der Widerstandseinheit 308, so dass
ein Strom vom Material 306 durch den Widerstand 308 und
zurück zum
Material 306 fließt.
Der Strom durch den Widerstand 308 erwärmt den Widerstand, der mit
einer Seite des thermoelektrischen Generators gekoppelt ist, welcher
durch die Drähte 307 und 309 gebildet
wird (welche, wie zuvor beschrieben, aus unterschiedlichen Materialien
hergestellt sind). Die andere Seite des thermoelektrischen Generators
(welcher auch als Thermoelement bezeichnet werden kann) ist mit den
Kühlkörpern 360 gekoppelt,
welche eine niedrigere Temperatur aufweisen. Fachleute können erkennen,
dass andere Einrichtungen, z. B. thermische oder elektrische Wärmekraftmaschinen
(z. B. eine termionische Wärmekraftmaschine)
abweichend von den thermoelektrischen Generatoren, welche hier beschrieben
werden, verwendet werden können, ohne
aus dem Schutzumfang der vorliegenden Patentansprüche zu geraten.
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Der
Temperaturunterschied veranlasst den thermoelektrischen Generator,
eine Spannung zu erzeugen, welche, wie im weiteren noch beschrieben werden
soll, mit den Spannungen von anderen Platteneinheiten kombiniert
werden kann, um eine Ausgangsspannung des Systems zu erzeugen. Diese Spannungen
können
erfindungsgemäß in Reihe
zusammen geschaltet werden, um einen elektrischen Ausgang des Systems 300 mit
einem verwertbaren Wert zu erzeugen. Das Verfahren zur Zusammenfassung
der Spannungen von jeder Platteneinheit ist umfassender im Weiteren
unter Bezugnahme auf die 5 und 6 dargestellt.
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Fachleute
werden erkennen, dass, obwohl das System 300 als ein System
beschrieben wurde, welches kinetische Energie der aufprallenden
Masse (die aus der Brownschen Bewegung der aufprallenden Masse resultiert,
welche in eine Arbeitssubstanz eingebettet ist) in elektrische Wechselstromenergie, in
thermische Energie und elektrische Gleichstromenergie verwandelt,
das System 300 mit geringen Veränderungen auch direkt Gleichstromenergie
als Ergebnis dieser kinetischen Energie produzieren kann.
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Insbesondere
ist zu beachten, dass die Bewegung der Platte 302 nach
oben und danach nach unten in ihre Ruhestellung eine Spannung mit
einer Polarität
erzeugt. Eine Bewegung nach unten und dann nach oben zurück in die
Ruhestellung erzeugt eine Spannung mit umgekehrter Polarität. Somit
können
erfindungsgemäß die Platten 302 im
Wesentlichen auf eine Bewegung zwischen einem neutralen Punkt (d.
h. der Ruhestellung) und einem einzigen Grenzpunkt (entgegen der
normalen Schwingung, welche von einem ersten Begrenzungspunkt durch den
neutralen Punkt bis zu einem zweiten Begrenzungspunkt und zurück verläuft) begrenzt
werden.
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Dementsprechend
wird, wenn die Platte 302 auf die „Aufwärts"-Bewegung durch Anordnung eines Objektes
an der Stelle 303 (d. h. zum freien Ende der Platte 302 hin)
begrenzt wird, die Ausgangsspannung auf eine Polarität (im Wesentlichen
einen pulsierenden Gleichstrom) begrenzt. Bei dieser Konfiguration
können
die Ausgänge
des piezoelektrischen Generators (z. B. des Generators 304)
in Serie direkt miteinander gekoppelt werden, was z. B. die Notwendigkeit
einer Widerstandseinheit 308 von Drähten 307 und 309 und
von Kühlkörpern 360 ausschließt, während dennoch
verwertbare Werte an elektrischer Energie ohne die Notwendigkeit
einer Gleichrichterschaltung erzeugt werden.
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4 zeigt
eine weitere Ausführungsform
eines Teils eines elektromechanischen Systems 400 im Nanometerbereich,
welches erfindungsgemäß strukturiert
ist. Der in 4 dargestellte Teil des Systems 400 umfasst
drei Platteneinheiten 402, 422 und 442,
von denen jede mit einem der piezoelektrischen Generatoren 304, 324 und 344 (welche
zuvor unter Bezugnahme auf 3 beschrieben
wurden) gekoppelt werden können.
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Wie
die 4 zeigt, umfasst jede der Platteneinheiten 402, 422 und 442 eine
Prallmasse 490 und eine Mehrzahl von Nanorohren 492,
welche an der Prallmasse 490 so befestigt sind, dass sie
im Wesentlichen rechtwinklig zur Prallmasse 490 angeordnet
sind. Jedes der Nanorohre 492, das z. B. aus einem Material
wie Karbon konstruiert sein kann, besitzt einen Durchmesser von
annährend
2 Nanometern und eine Höhe
von etwa 25-50 Nanometern (Fachleute werden erkennen, dass die Dimensionen der
Nanorohre 492 verändert
werden können,
ohne aus dem Schutzbereich der anliegenden Patentansprüche zu geraten).
Weiterhin kann die Steifigkeit und die Ausrichtung der Nanorohre 492 durch
Anlegen einer statischen Spannung gesteuert werden, wie dies in 7 dargestellt
und im Weiteren beschrieben ist.
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Das
System 400 arbeitet weitestgehend in der selben Weise wie
das zuvor beschriebene System 300. Die statistische Veränderung
des Gasdruckes um die Platten 402, 422 und 442 bewirkt,
dass das freie Ende der Platten 402 auf und ab schwingt und
dadurch eine Spannung an den leitenden Außenschichten des piezoelektrischem
Materials hervorruft. Im System 400 wird jedoch die Auf-
und Abwärtsbewegung
der Platten durch die Nanorohre 492 verstärkt, welche
einen zusätzlichen
Aufprall von Molekülen
verursachen.
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Die äußeren leitenden
Schichten des piezoelektrischen Materials sind in Kontakt mit der
Widerstandseinheit, so dass ein Strom fließt, welcher den Widerstand
aufheizt. Der thermoelektrische Generator, welcher z. B. durch die
Drähte 307 und 309 gebildet
wird, befindet sich zwischen dem aufgeheizten Widerstand und dem
Kühlkörper 360,
welcher eine niedrigere Temperatur aufweist. Der Temperaturunterschied
veranlasst den thermoelektrischen Generator eine Spannung zu erzeugen.
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Die 5 und 6 zeigen
jeweils zwei ähnliche
Gestaltungen von elektromechanischen Systemen 500 und 600 im
Nanometerbereich, von denen jede in Übereinstimmung mit den erfindungsgemäßen Prinzipien
strukturiert ist. Jedes der Sys teme 500 und 600 umfasst
eine Mehrzahl von glatten Einheiten 302, die mit Generatoren 304 gekoppelt sind,
welche selbst mit Drähten 307 und 309 gekoppelt
sind, die mit Kühlkörpern 360 verbunden
sind. Dies wird deutlicher bei Betrachtung des gestrichelten Kästchens,
welches zeigt, wo z. B. der Teil des Systems 300 nach 3 zu
finden ist. Wie die 5 und 6 zeigen,
umfasst jedes der Systeme 500 und 600 neunzig
Platteneinheiten 302 und die damit verbundenen Bauteile
(d. h. Generatoren, Drähte und
Kühlkörper).
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In
der Praxis umfassen die elektromechanischen Systeme im Nanometerbereich,
die erfindungsgemäß strukturiert
sind, eine Milliarde oder mehr Platteneinheiten auf einem einzigen
Substrat. Die Ausgangsspannung über
jedem Paar von Drähten,
welche sich von jedem thermoelektrischen Generator zu einem einzigen
Substrat erstrecken, sind erfindungsgemäß in Serie miteinander gekoppelt,
um ein einziges Ausgangssignal für
das System zu erzeugen. Das Ausgangssignal kann eine Spannung in der
Größenordnung
von einem Volt aufweisen, in Abhängigkeit
von der Anzahl der einzelnen verwendete Bauteile und der speziellen
Herstellungstechnologien, die zur Herstellung dieser Bauteile angewendet wurden.
Der wichtigste Unterschied zwischen den Systemen 500 und 600 besteht
darin, dass das System 500 einen Lastwiderstand 502 aufweist,
während das
System 600 diesen nicht besitzt.
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Fachleute
werden feststellen, dass der Lastwiderstand 502 so dargestellt
ist, als wenn er am Substrat 370 befestigt ist, es kann
jedoch bevorzugt sein, den Lastwiderstand von dem Arbeitsfluid thermisch
zu isolieren, in welchem das Substrat 370 eingebettet ist,
so dass die Wärme,
die vom Lastwiderstand 502 ausgeht, die Temperatur des
Arbeitsfluids nicht beeinflusst.
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7 zeigt
eine weitere Ausführungsform
eines elektromechanischen Systems 700 im Nanometerbereich,
welches entsprechend den erfindungsgemäßen Prinzipien strukturiert
ist. System 700 umfasst eine Matrix von Nanorohren 702,
welche zwischen einer oberen Platte 704 und einer unteren
Platte 706 eines Kondensators 708 angeordnet ist
sowie eine Spannungsquelle 710, welche ebenfalls über die
Platten des Kondensators 708 angelegt ist. Jedes der Nanorohre 702 kann
z. B. aus einem Material wie Karbon konstruiert sein und einen Durchmesser
von etwa 2 Nanometern und eine Höhe
von 25-50 Nanometern aufweisen (Fachleute werden erkennen, dass die
Dimensionen der Nanorohre 702 verändert werden können, ohne
aus dem Schutzumfang der vorliegenden Patentansprüche zu geraten).
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Ein
Ende jedes Nanorohres 702 ist an der unteren Platte 706 des
Kondensator 708 befestigt. Das andere Ende jedes Nanorohres 702 kann
sich frei bewegen. Die gesamte Einheit 700 ist dann in
typischer Weise von einem Fluid (d. h. einem Gas oder einer Flüssigkeit)
umgeben. Sobald eine Spannung V von der Quelle 710 über die
Platten des Kondensators 708 angelegt ist, wird ein elektrisches
Feld E erzeugt, welches eine Kraft verursacht, die hilft, dass die
Länge des
Nanorohres 702 im Wesentlichen senkrecht zur Oberfläche der
Kondensatorplatten 704 und 706 ausgerichtet ist.
Die statistischen Abweichungen in der Geschwindigkeit und der Richtung der
Moleküle
des Arbeitsfluids, welche auf das Nanorohr 702 auftreffen,
verursachen statistische Abweichungen im Fluiddruck um die Nanorohre 702,
welche ihrerseits dazu führen,
dass die Nanorohre 702 sich unregelmäßig bewegen, wie dies in den 8 und 9 dargestellt
ist.
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Wie
in 8 dargestellt, sind die Nanorohre 802 und 822 (welche
einfach irgendwelche zwei benachbarte Nanorohre 702 sind)
im Wesentlichen senkrecht zur unteren Kondensatorplatte 706 angeordnet,
auch wenn einzelne Moleküle 110 kürzlich auf jedes
Nanorohr aufgeprallt sind. In diesem Beispiel gibt es keine Veränderung
des Gasdruckes an jeder Seite des Nanorohres, und die Rohre bleiben
aufrecht. Fachleute werden erkennen, dass, obwohl das Zusammenwirken
von zwei Nanorohren dargestellt ist, das molekulare Aufprallen auf
Tausende oder Millionen von Nanorohren gleichzeitig geschieht.
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9 stellt
andererseits den Effekt der statistischen Veränderung des Fluiddrucks um
die Nanorohre 902 und 922 dar (welche wie die
Nanorohre 802 und 822 einfach zwei benachbarte
Nanorohre 702 sind), was zu Veränderungen in der thermischen Bewegung
der Arbeitsfluidmoleküle
führt,
welche die freien Enden der Nanorohre 902 und 922 veranlassen,
an der Stelle 930 aufeinander zu treffen. Die kinetische
Energie der aufeinandertreffenden Nanorohre 902 und 922 wird
teilweise im Ergebnis der Reibung des Kontaktes und durch das Gleiten
der Rohre aneinander in thermische Energie umgesetzt. Die thermische
Energie wird längs
der Nanorohre 902 und 922 zur thermisch leitenden
Platte 706 nach unten geleitet.
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Wie
die 8 und 9 zusätzlich zeigen, besitzt jedes
der Nanorohre 702 (oder der Nanorohre 802, 822, 902 und 922)
infolge des elektrischen Feldes E eine elektrische Ladung zwischen
den Kondensatorplatten 704 und 706. Das Aufeinandertreffen der
Nanorohre 902 und 922 verteilt weiterhin kinetische
Energie des Rohres durch Beschleunigung der elektrischen Ladungen,
was seinerseits elektromagnetische Wellen am freien Ende der Nanorohre
erzeugt. In dieser Weise wird ein Teil der kinetischen Energie des
Arbeitsfluids zur unteren Kondensatorplatte 706 und auf
den umgebenden Raum übertragen,
weil die elektromagnetische Energie zu einem Nutzeffekt durch Kühlung der
Arbeitssubstanz und Erwärmung
der unteren Kondensatorplatte 706 führt. Diese Temperaturdifferenz
kann dann genutzt werden, um direkt einen Raumabschnitt zu erwärmen oder
zu kühlen
oder eine Wärmekraftmaschine
anzutreiben.
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10 zeigt
eine weitere Ausführungsform einer
elektromechanischen Anordnung 1000 im Nanometerbereich,
welche erfindungsgemäß strukturiert
ist. Die Anordnung 1000 umfasst viele Nanorohre 1002,
die alle mit einer Basis 1004 verbunden sind. Anders als
in den vorhergehenden Ausführungsformen
sind die Nanorohre 1002 an ihrem oberen Ende in der Weise
verschlossen, dass die Gasmoleküle
in jedem Nanorohre 1002 gefangen sind. Außerdem ist, wie 10 zeigt,
mindestens ein Molekül
in jedem Nanorohre 1002 elektrisch geladen (z. B. enthält das einzelne
Nanorohr 1012 mindestens ein positiv geladenes Molekül, während das
einzelne Nanorohre 1022 mindestens ein negativ geladenes
Molekül
enthält).
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Die
Anordnung 1000 ist so gestaltet, dass die Nettoladung der
Nanorohre 1002 in der Anordnung Null ist, wobei die Hälfte der
Rohre positive Ladungen und die andere Hälfte negative Ladungen enthält. In dieser
Ausführungsform
ergibt sich, weil die geladenen Moleküle gegen die Wände der
Nanorohre und die anderen Moleküle
innerhalb der Nanorohre stoßen,
eine Beschleunigung der Ladung, welche dazu führt, dass elektromagnetische
Wellen erzeugt werden, die durch die Rohranordnung in den umgebenden
Raum gelangen. Als Ergebnis der elektromagnetischen Strahlung kühlt sich
das Gas innerhalb der Nanorohre 1002 ab, wodurch die thermisch
leitende Basis 1004 gekühlt
wird. In diesem Beispiel kann die verminderte Temperatur der Basis 1004 verwendet werden,
um ein Volumen an Fluid zu kühlen,
oder sie kann als „kalte
Seite" einer Wärmekraftmaschine
verwendet werden, was für
Fachleute naheliegend ist.
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11 zeigt
eine elektromechanische Anordnung 1100 im Nanometerbereich,
welche entsprechend den erfindungsgemäßen Prinzipien strukturiert ist.
Die Anordnung 1100 umfast eine Reihe von Nanometerteilen 1102,
welche zwischen einem Paar elektrisch und thermisch leitender Schienen 1104 und 1106 befestigt
sind. In dieser Ausführungsform sind
die Nanometerteile 1102 Karbon-Nanorohre, und jedes der
Nanorohre 1102 ist mit etwas Spiel versehen, welches ermöglicht,
dass die Nanorohre in Reaktion auf zufällige Druckveränderungen
in der umgebenden Arbeitssubstanz schwingen können. Die Schienen 1104 und 1106 stehen
in thermischem Kontakt mit der thermisch leitenden Basis 1108 und sind
an dieser befestigt.
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Es
sollte beachtet werden, dass verschiedene andere Nanometerteile
anstatt der hier beschriebenen Nanorohre erfindungsgemäß verwendet
werden können.
Zum Beispiel können
die Prinzipien der vorliegenden Erfindung unter Anwendung von im Wesentlichen
allem elektrisch leitenden Material, welches in sehr kleine Fasern
verformt werden kann, ausgeführt
werden. Dies schließt
einfache Karbonfasern anstatt von Nanorohren ein.
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Die
in den 11 und 12 dargestellten Nanometerteile
(ebenso wie jene, die anhand der 13 – 16 im
Weiteren diskutiert werden) führen
im Vergleich zu den zuvor beschriebenen Platten zusätzliche
Funktionen aus. Zum Beispiel wirken die Nanometerteile nach den 11 – 16 alle
als Prallmasse, während
sie die Funktionen des zuvor beschriebenen Halteteiles und der Generatoreinrich tung
ausüben.
Zusätzlich
arbeiten die Nanometerteile nach den 11 und 12 auch
als Widerstandselement (die 13 – 16 enthalten
das Widerstandselement 1304, was im Weiteren noch eingehender
beschrieben wird).
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Mit
der thermisch leitenden Basis 1108 ist nach den erfindungsgemäßen Prinzipien
ein thermisches Isolationsmaterial 1110 verbunden, welches mindestens
einen größeren Teil
des ansonsten freiliegenden Bereiches der leitenden Basis 1108 abdeckt.
Die Verwendung der Isolierung 1110 unterstützt die
Verhinderung von thermischen Energieverlusten. Weiterhin ist es
für Fachleute
naheliegend, dass eine ähnliche
Isolation in den zuvor beschriebenen Ausführungsformen verwendet werden
kann, um die Effektivität
dieser Systeme und Anordnungen weiter zu erhöhen.
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Ein äußeres Magnetfeld
(in 11 mit „B" bezeichnet) durchdringt die Anordnung 1100,
welche senkrecht zu den Schienen 1104 und 1106 und
der Basis 1108 angeordnet ist. Die Funktion der Anordnung 1100 ist
in 12 dargestellt, welche einen Bereich der Schienen 1104 und 1106 zeigt
und zwei einzelne Nanorohre 1202 und 1222 einschließt (welche einfach
zwei benachbarte Nanorohre 1102 sind). Die Nanorohre 1202 und 1222,
welche von einer Arbeitssubstanz umschlossen sind, bewegen sich
in unregelmäßiger Weise
von der entspannten „Ruhe"-Position (die mit
gestrichelten Linien 1203 und 1223 dargestellt
sind) infolge der zufälligen
Veränderungen
in der thermischen Bewegung der Moleküle der Arbeitssubstanz. Die
Bewegung der Nanorohre 1202 und 1222 bei Vorhandensein
des Magnetfeldes ⨂ B induziert
ein elektrisches Feld E in Längsrichtung
der Nanorohre 1202 und 1222 (wie in 12 dargestellt).
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Das
Feld E veranlasst den Strom „i" zum Fließen, und
er fließt
von einem Nanorohr entlang einer Schiene über das andere Nanorohr und
darauf zur anderen Schiene (was, obwohl er als Strom in Uhrzeigerrichtung
dargestellt ist, zu einem anderen Zeitpunkt auch entgegen der Uhrzeigerrichtung
geschehen kann, wenn sich die Richtung der Bewegung der Nanorohre ändert und
dadurch ein Wechselstrom erzeugt wird). Der Strom, welcher durch
die Nanorohre und die Schienen fließt, bewirkt eine Widerstandserwärmung und
veranlasst die Wärme
entlang der Nanorohre und der Schienen zur leitenden Basis 1108 zu
wandern. Das Fluid (entweder ein Gas oder eine Flüssigkeit),
welches die Nanorohre umgibt, kühlt
sich ab, während
die Basis 1108 aufgeheizt wird, wodurch eine Temperaturdifferenz
entsteht, die in verschiedener Weise verwendet werden kann (z. B.
als Wärmepumpe
oder als Wärmekraftmaschine, wie
zuvor beschrieben).
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Die 13 – 16 zeigen
in einer weiteren Darstellung die Verwendung einer Isolation entsprechend
den erfindungsgemäßen Prinzipien
in der Anordnung 1300. Die Anordnung 1300 ist
der Anordnung 1100 nach 11 in
vielen Aspekten gleich. Die Anordnung 1300 umfasst auch
Nanorohre 1302, welche von einer Arbeitssubstanz umgeben
sind. Weiterhin, wie zuvor in Bezug auf die Nanorohre 1102 beschrieben,
sind die Nanorohre 1302 mit Spiel installiert, so dass
sie sich in unregelmäßiger Weise infolge
der zufälligen
Fluktuation bei der thermischen Bewegung der Moleküle der Arbeitssubstanz
bewegen können.
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Die
Anordnung 1300 reagiert ebenfalls auf ein äußeres Magnetfeld B. Wie zuvor beschrieben, induziert
die Bewegung der Nanorohre 1302 durch das Magnetfeld B das Fließen eines
Wechselstromes, welcher in diesem Fall durch einen Widerstand 1304 geleitet
wird, der direkt unterhalb jedes der Nanorohre 1302 angeordnet
ist. Der Wert des Widerstands 1304 kann so gewählt werden,
dass er etwa das Zweifache des Widerstandes des Nanorohres beträgt, und
in diesem Fall wird der größere Teil
der erzeugten Energie als Wärme
durch den Widerstand abgegeben.
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Die
Anordnung 1300 ist so gestaltet, dass die Widerstände 1304 unterhalb
der isolierenden Schicht 1310 und oberhalb des thermisch
leitenden Blattes 1312 angeordnet sind. Dies führt dazu,
dass die meiste der erzeugten Energie und Wärme mehr nach unten in die
Anordnung 1300 gerichtet wird, als nach oben in das Arbeitsfluid.
Weiterhin kann die Anordnung 1300 Pfosten 1306 statt
der Schienen verwenden, so dass nur ein begrenzter Teil des Oberflächenbereichs,
welcher eine erhöhte
Temperatur aufweist, dem Arbeitsfluid ausgesetzt ist. Die Widerstände 1304,
die Pfosten 1306 und die Anschlüsse des Widerstandes sind von
dem thermisch leiten den Blatt 1312 durch eine dünne Schicht
von elektrischem Isoliermaterial 1314 isoliert, welches
oberhalb der leitenden Schicht 1312 angeordnet ist.
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Die
Wärme vom
Widerstand 1304 erhöht
die Temperatur des thermisch leitenden Blattes 1312. Die
Unterseite des leitenden Blattes 1312 befindet sich in
thermischem Kontakt mit einem „heißen" Bereich 1330 eines
thermoelektrischen Generators 1334 (das Blatt 1312 ist
elektrisch vom heißen
Bereich 1330 durch ein elektrisch isolierendes Blatt 1316 isoliert).
Ein zweites thermisch leitendes Blatt 1322 befindet sich
in thermischem Kontakt mit einem „kalten" Bereich 1332 des thermoelektrischen
Generators 1334 (wobei die beiden durch eine dünne Schicht 1318 elektrisch
isoliert sind). In dieser Weise wird die erzeugte Wärme vom
Widerstand 1304 nach unten durch die Anordnung 1300 und
aus der Unterseite der unteren Schicht 1322 geleitet.
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Die
Temperaturdifferenz zwischen den warmen und kalten Bereichen (d.
h. 1330 und 1332) des thermoelektrischen Generators 1334 erzeugen
an jeder Verbindung eine Gleichspannung. Durch Zusammenführung einer
Vielzahl dieser Verbindungen in Serie kann die Anordnung 1300 verwendet
werden, um eine verwertbare Spannung zu erzeugen, welche etwa mindestens
1 Volt beträgt,
wie dies zuvor für
die anderen Ausführungsformen
beschrieben wurde. Wenn die Anordnung 1300 verwendet wird,
um eine Ladung in der Weise zu betreiben, dass die Ladung in Reihe
mit einem thermoelektrischen Generator 1334 verbunden ist,
und das Arbeitsfluid gekühlt
wird oder innerhalb eines vorbestimmten Temperaturbereichs gehalten
wird, wird eine erhöhte
Effektivität des
Systems erreicht, indem die Ladung vom Arbeitsfluid entfernt gehalten
wird, so dass die in der Ladung enthaltene Energie nicht die Temperatur
des Arbeitsfluids beeinflusst.
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Weiterhin,
wie am deutlichsten in 15 erkennbar ist, werden zusätzliche
Schichten einer thermischen Isolation verwendet, um die warmen Bereiche
der Anordnung 1300 von den kalten Bereichen der Anordnung 1300 zu
trennen. Insbesondere umfasst die Anordnung 1300 auch eine
isolierende Schicht 1342, die zwischen dem leitenden Blatt 1312 und
dem kalten Bereich 1332 zwischengefügt ist (tatsäch lich befindet
sich, wie dargestellt, die Schicht 1342 unterhalb der elektrischen
Isolierschicht 1316). Die Isolierschicht 1352 ist
andererseits zwischen einem zweiten leitenden Blatt 1322 und
dem warmen Bereich 1330 angeordnet (tatsächlich befindet
sich, wie dargestellt, die Schicht 1352 unterhalb der elektrischen
Isolierschicht 1318). Diese Isolierschichten erhöhen die
Temperaturdifferenz zwischen den warmen und kalten Bereichen des
thermoelektrischen Generators und verbessern dadurch den elektrischen
Ausgang des thermoelektrischen Generators 1334.
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Der
Betrieb der Anordnung 1300 ist dem der Anordnung 1100 ähnlich,
und er ist in 16 dargestellt. Die Bewegung
der Nanorohre 1302 in dem äußeren Magnetfeld ⨂ B induziert einen Stromfluss „i", wie dies in 16 dargestellt
ist. In diesem Fall verbleibt jedoch der Strom von jedem einzelnen
Nanorohr 1302 zusammen mit dem entsprechenden Widerstand 1304 in
einer selbständigen
Schaltung. Zum Beispiel verbleibt der Strom, welcher in dem einzelnen
Nanorohr 1342 induziert wurde in einer „isolierten" Schaltung mit dem
einzelnen Widerstand 1344, anders als dass er mit einem
benachbarten Nanorohr zusammenwirkt, wie dies mit Bezug auf die Anordnung 1100 beschrieben
wurde. Wiederum ist für
Fachleute offensichtlich, dass, obwohl die Bewegung von zwei Nanorohren
dargestellt ist, die Bewegung von Millionen oder Milliarden von
Nanorohren gleichzeitig geschieht.
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Fachleute
werden erkennen, dass, obwohl es möglich ist, dass ein einzelner
thermoelektrischer Generatorbereich für jedes einzelne Nanorohr 1302 verfügbar ist,
es wahrscheinlich praktisch undurchführbar oder unerschwinglich
teuer ist, eine solche Gestaltung zu realisieren. Somit ist es erfindungsgemäß wahrscheinlicher,
dass mehrere, wenn nicht sogar Millionen von Nanorohren 1302 mit
jedem einzelnen Bereich des thermoelektrischen Generators 1334 thermisch
gekoppelt werden.
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17 zeigt
ein Antriebssystem 1700, welches erfindungsgemäß strukturiert
ist, und in welchem ein Objekt, das in eine Arbeitssubstanz eingebettet
ist, in einer steuerbaren Richtung bewegt wird, als Ergebnis von
Veränderungen
beim Aufprall der Moleküle
der Arbeitssubstanz auf das Objekt. Das System 1700 umfasst
eine Kugel 1702 und eine Anzahl von Elektromagneten 1704, 1706, 1708, 17010, 1712 und 1714 (die
Magnete 1712 und 1714 sind mit gestrichelten Linien
als einziges Paar dargestellt), welche axial um den Elektronikkern 1716 angeordnet sind
(„axial" bezieht sich einfach
auf den Fakt, dass ein Elektromagnet parallel zu jeder der sechs
Seiten des elektronischen Kerns 1716 angeordnet ist und dass
die Mitte jedes Elektromagneten mit einer imaginären Achse ausgerichtet ist,
welche sich senkrecht zur Kernoberfläche erstreckt). Diese Elektromagnete
bilden zusammen mit dem Steuerungssystem ein Antriebssystem, das
im Weiteren detaillierter erläutert
werden soll, und dabei hilft, die Kugel 1702 anzutreiben.
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Die
Kugel 1702 kann jedes dreidimensionale Objekt sein. Obgleich
eine Kugel dargestellt ist, können
andere Formen z. B. ein Kubus, ein Zylinder usw. verwendet werden.
Die Oberfläche
der Kugel 1702 ist mit Anordnungen im Nanometerbereich,
z. B. einer Serie von Nanorohren, die an der Oberfläche mit
etwas Spiel befestigt sind, abgedeckt, wie dies zuvor unter Bezugnahme
auf die 11-16 erläutert wurde.
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Die
Elektromagnete 1704, 1706, 1708, 1710, 1712 und 1714 können z.
B. durch eine Batterie oder irgendeine andere Quelle mit Energie
versorgt werden. In jedem Fall wird dem elektronischen Kern 1716 von
außen
Energie zugeführt,
welche dann den geeigneten Elektromagneten zugeleitet wird, wie dies
im Weiteren beschrieben ist.
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Es
wird angenommen, dass die Kugel 1702 in einem Fluid bei
einer von Null abweichenden Temperatur gehalten wird, wenn ein Elektromagnet,
z. B. der Elektromagnet 1704 mit Energie beaufschlagt wird,
und das resultierende Magnetfeld 1718 senkt zusammen mit
der Nanorohranordnung den Fluiddruck unmittelbar oberhalb der Oberfläche. Der
verminderte Druck bewirkt, dass sich die Kugel 1702 in Richtung 1720 bewegt
(wenn die Antriebskraft stark genug ist). Wenn z. B. der Elektromagnet 1710 ebenfalls
mit Energie versorgt wird und dadurch ein Magnetfeld 1722 entsteht,
wirkt ebenfalls eine Kraft 1724 auf die Kugel 1702.
In diesem Beispiel wird die Kugel 1702 entlang eines Vektors
angetrieben, der 45 Grad von den magnetischen Achsen 1718 und 1722 entfernt
ist (wie dies durch den Pfeil 1726 dargestellt ist). Durch
Variierung des Stromes, der jeden der Elektromagnete zugeführt wird,
kann die Bewegung der Kugel 1702 durch ein Fluid gesteuert
werden.
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Aus
der vorstehenden Beschreibung können Fachleute
erkennen, dass diese Erfindung elektromechanische Anordnungen und
Systeme im Nanometerbereich schafft, die verwendet werden können, um
eine Form von Energie in eine andere zu wandeln. Die Anordnungen
und Systeme können
verwendet werden, um z. B. Wärmekraftmaschinen, Wärmepumpen
oder Antriebsvorrichtungen zu schaffen. Außerdem können Fachleute erkennen, dass
die hier beschriebenen verschiedenen Gestaltungen kombiniert werden
können,
ohne dass eine Abweichung von der vorliegenden Erfindung eintritt.
Zum Beispiel können
die in 4 dargestellten Nanorohre anstatt der dargestellten
Gestaltung direkt an den piezoelektrischen Generatoren in 4 befestigt
sein. Es ist auch erkennbar, dass die Erfindung viele andere Formen
als die in dieser Beschreibung dargelegten annehmen kann. Dementsprechend
wird mit Nachdruck darauf hingewiesen, dass die Erfindung nicht
auf die dargelegten Verfahren, Systeme und Vorrichtungen beschränkt ist,
sondern dass Variationen und Abwandlungen von diesen, welche sich
innerhalb des Schutzumfanges der folgenden Patentansprüche befinden,
eingeschlossen sein sollen.