JP2021514492A - 濾過装置および方法 - Google Patents

Abstract

複数のチャネルシステムによって形成されたフィルタリング装置。各チャネルシステムは、プレートの入口側に形成された入口ポート、プレートの出口側に形成された１つだけの出口ポート、およびプレート内に形成されたチャネルを含み、チャネルは入口ポートおよび出口ポートに結合されており、チャネルシステムの入口ポートのキャプチャ領域と入口ポートに関連する第１の透過率との積と、チャネルシステムの出口ポートのキャプチャ領域と出口ポートに関連する第２の透過率との積との比率は、１より大きい。チャネルシステムは、対象オブジェクトの平均自由行程よりも数桁大きい値よりも小さいスケールにおいて、対象オブジェクトと相互作用するように構成されている。プレートの一部の実施形態は、空気分子、水分子、またはエアロゾルなどの粒子と相互作用するように構成されている。プレートの他の実施形態は、電子、光子、音子または音響波などの、波または波状の粒子と相互作用するように構成されている。【選択図】図１

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０１８年２月９日に出願された米国仮特許出願番号６２／７１０１２０号、２０１８年１２月６日に出願された同第６２／９１７４５９号、２０１８年２月１２日に出願された番号６２／７１０２２４号、２０１８年１２月６日に出願された同第６２／９１７４６１号、および２０１８年２月２３日に出願された同第６２／７１０６０８号の利益を主張し、その各々の全体が参照として本明細書に組み込まれる。

実施形態は、波または粒子などのオブジェクトをフィルタリング、ポンピング、および／または濃縮するための装置に関する。

熱力学の第２法則のいくつかの定義によれば、熱が冷たいリザーバから熱いリザーバへと流れることは不可能である。代替として、熱エネルギーを直接、機械的仕事に変換できる熱力学的装置を構築することは不可能であるとの主張がある。

フィルタプレートの装置の例示的実施形態は、複数のチャネルシステムで形成されたプレートを含む。各チャネルシステムは、プレートの入口側に形成された入口ポート、プレートの出口側に形成された１つだけの出口ポート、およびプレート内に形成されたチャネルを含み、チャネルは入口ポートおよび出口ポートに結合されており、第１の積と第２の積との比率は１よりも大きく、第１の積は、チャネルシステムの入口ポートのキャプチャ領域と、入口ポートに関連する第１の透過率との積であり、第２の積は、チャネルシステムの出口ポートのキャプチャ領域と、出口ポートに関連する第２の透過率との積である。

チャネルシステムの各々は、前述のプレートの入口側に形成された追加の複数の入口ポートと、プレート内に形成された追加の複数のチャネルとを更に含んでもよく、チャネルの各々は、入口ポートおよび出口ポートのうちの１つだけに結合されている。

いくつかの実施形態では、前述のチャネルシステムはいずれも、前述の出口ポートの２つ以上を含むことはない。

いくつかの実施形態では、チャネルシステムのチャネルはいずれも、２つ以上の出口ポートに結合されていない。

チャネルシステムの各々は、任意選択的に、入口ポートのうちの１つだけ、および出口ポートのうちの１つだけを含み、先細のチャネルが入口ポートを入口ポートに結合させていてもよい。

いくつかのチャネルシステムでは、チャネルのうちの選択された１つが、入口ポートのうちの１つと出口ポートとに結合され、チャネルシステムの各々の他の全てのチャネルは、選択された１つのチャネルに結合されている。

選択された１つのチャネルは、任意選択的に、線形チャネルとして形成されてもよく、前述の線形チャネルに結合された他のチャネルは、弓形チャネルとして形成されてもよい。代替として、１つのチャネルシステム内の全てのチャネルが、線形チャネルとして形成されてもよい。

フィルタプレートのいくつかの実施形態では、チャネルを通過するオブジェクトの平均自由行程の値と、チャネルの特性寸法との比率は、０．００１よりも大きい。ここで特性寸法は、チャネルの特性長または最大幅の大きい方である。

フィルタプレートのいくつかの実施形態では、チャネルの入口直径または出口直径は、チャネルを通過するオブジェクトの衝突直径の約１倍から、隣接するリザーバ内のオブジェクトの平均自由行程の約１０００倍の範囲にある。

フィルタプレートのいくつかの実施形態では、チャネルの長さは、入口ポートを通過するオブジェクト衝突直径の約１倍から、オブジェクトの平均自由行程の値の約１０００倍までの範囲にある。

入口ポートは代替として、円形の外周、多角形の外周、または面取り長方形（ｏｂｒｏｕｎｄ）の外周で形成されてもよい。出口ポートは、いくつかの実施形態では円形の外周で形成されてもよいが、他の外周形状が使用されてもよい。

複数のチャネルシステムを有する、フィルタプレートの例示的実施形態では、固体、液体、またはガス粒子の交換のために、または光子もしくは他のタイプの波、例えば音響波もしくは音子の、あるチャネルシステムから別のチャネルシステムへの直接通過のために、チャネルシステムが互いに結合されることはない。

フィルタプレートの例示的実施形態の概略図である。 光学レンズを備える、フィルタプレートの別の例示的実施形態の断面図である。 反射面を備える光学要素を有する、フィルタプレートの別の例示的実施形態の断面図である。 主幹および分岐の構成にある弓形チャネルおよび線形チャネルの例で形成された、フィルタプレートの別の例示的実施形態の断面図である。 先細のチャネルで形成された、フィルタプレートの別の例示的実施形態の断面図である。 プレートと光学要素との層状配置を備える、フィルタプレートの別の例示的実施形態の断面図である。 プレートと反射面を有する光学要素との層状配置を備える別の例示的実施形態の断面図である。 図４のフィルタプレートの例示的実施形態を第１の側に向かって見た図である。 図４のフィルタプレートの代替的実施形態の例を第１の側に向かって見た図である。 図５のフィルタプレートの例示的実施形態を第１の側に向かって見た図である。 図５に記載されたフィルタプレートの代替的実施形態の第１の側に向かって見た図である。 図５のフィルタプレートの別の代替的実施形態の第１の側に向かって見た図である。 本発明の一実施形態の断面図と、前述の実施形態と対象オブジェクトとの相互作用の概略図である。 図１３に示す実施形態の断面図と、前述の実施形態と対象オブジェクトとの相互作用の概略図であり、図１３に示すシナリオについては、対象オブジェクトのプロパティは、実施形態に隣接する媒体中の対象オブジェクトのプロパティとは異なる。 本発明の一実施形態の断面図、および前述の実施形態と対象オブジェクトとの相互作用の概略図である。 本発明の一実施形態の断面図と、前述の実施形態と対象オブジェクトとの相互作用の概略図である。 本発明の一実施形態の断面図である。 本発明の一実施形態の断面図である。 超音速ラムジェットエンジンにおける本発明の実施形態を適用した断面図である。 閉じた構成またはゼロ推力構成にある、図１９に示す実施形態の断面図である。 冷蔵庫における本発明の一実施形態を適用した断面図である。 電流源における本発明の一実施形態を適用した断面図である。 ターボシャフトエンジンにおける本発明の一実施形態を適用した断面図である。 閉じた構成またはゼロ推力構成にある、図２３に示す実施形態の断面図である。 本発明の例示的実施形態、例えば図１９に示す例示的実施形態を通過する空気の比体積に対する圧力値のプロットである。 本発明の例示的実施形態、例えば図２３に示す例示的実施形態を通過する空気の比体積に対する圧力値のプロットである。

本発明による例示的実施形態について本明細書に記載する。例示的実施形態は、チャネルで形成されたプレートを含み、チャネルは、動的境界条件における、プレートの入口側からプレートの出口側への媒体中のオブジェクトの好ましいフロー方向と、静的境界条件における、出口側に位置するオブジェクトを入口側と比較したときの濃度差、圧力差、または密度差と、を確立するように構成されている。

本明細書で使用される用語「媒体」は、対象オブジェクトを収容、運搬、輸送、または伝達することが可能な任意の材料を表す。媒体は、例えば、気体、液体、固体、または真空であり得る。デフォルトでは、媒体は指定された装置と相互作用する全てのオブジェクトの集合を指す。

本明細書で使用される用語「オブジェクト」は、媒体の任意の構成要素を表す。本明細書で説明されるフィルタプレートの実施形態の例は、媒体中の少なくとも１つのオブジェクトと相互作用するように構成され得る。媒体は、オブジェクトのいくつかの異なるタイプ、種、またはクラスを含み得る。オブジェクトの例としては、塵埃粒子、エアロゾル、水滴、空気分子、生物細胞、またはポリマー分子などの粒子、ならびに電子または陽子などの亜原子粒子が挙げられるがこれらに限定されない。オブジェクトの例としては、光子、音響波もしくは音波、海洋波、または音子などの波も挙げられるがこれらに限定されない。オブジェクトは、対象プロパティと、任意選択的に、選択されたオブジェクトを他のオブジェクトから区別するために使用され得る定義プロパティを有し得る。本発明は、別個のオブジェクトを含むと考えることができる任意の媒体に適用される。

プレートの例示的実施形態の「デフォルトの境界条件」は、第１のリザーバおよび第２のリザーバにおける媒体のプロパティが同一であり、時間および空間において均一であるモデルシナリオを指し得る。

「ベースラインシナリオ」は、熱交換装置を含む例示的実施形態が、固体の、不透過性の、場合により反射性の平板を備え、デフォルトの境界条件にさらされる「ベースライン装置」によって置き換えられるシナリオを指し得る。

「ベースライン確率」は、ベースライン装置と相互作用する任意のオブジェクトが、ベースラインシナリオにおいて相互作用が完了した後に、ベースライン装置の指定された側に位置する確率を指し得る。例えば、ベースライン確率は、ベースライン装置のいずれの側についても５０％であり得る。

「動的境界条件」は、フィルタリング装置から無限の距離にある第１のリザーバおよび第２のリザーバにおける媒体のプロパティが時間および空間において同一かつ均一である単純化されたシナリオとして定義することができる。

「静的境界条件」は、第１のリザーバと第２のリザーバのサイズが有限であり、互いに隔離され、かつフィルタリング装置などの本発明の実施形態とは別の任意の他のリザーバから隔離され、第１のリザーバと第２のリザーバとの間でＯＩの交換が可能である、単純化されたシナリオとして定義できる。静的境界条件では、第１のリザーバと第２のリザーバ内の媒体の、対象となる巨視的プロパティが、定常状態の値、すなわち時間と空間において実質的に一定の値、すなわちリザーバ全体にわたって実質的に均一な値に達している。そのような巨視的プロパティは、例えば、媒体の圧力、温度、または密度を指し得る。

本明細書で使用する場合、「入力の対象プロパティ」および「出力の対象プロパティ」は、それぞれ、無視できない形態で本発明の実施形態と相互作用する直前および直後の、オブジェクトの指定されたクラスの対象プロパティを指す。対象プロパティは、第１のリザーバ２０１または第２のリザーバ２０２のいずれかにおけるオブジェクトの位置であり得る。対象オブジェクトと開示されたプレートの実施形態との相互作用は、入力の対象プロパティと出力の対象プロパティとの間の違いの観点から説明することができる。例えば、相互作用は、あるリザーバから別のリザーバへの透過、または相互作用が始まる前にオブジェクトが位置していたリザーバへと戻る反射のいずれかとして説明できる。相互作用のタイプは、オブジェクトの「定義プロパティ」の関数である。対象オブジェクトの定義プロパティのセットは、対象オブジェクトを周囲の媒体の他のオブジェクトから区別するプロパティを含んでもよい。図４に示すプレートの例示的実施形態では、オブジェクトを定義するプロパティのセットは、無視できない形態で本発明の実施形態と相互作用する直前の、入力の対象プロパティ、すなわち、第１のリザーバ２０１または第２のリザーバ２０２のいずれかにおけるオブジェクトの位置も含む。

相互作用全体にわたって、本発明に従って構成され動作する装置は、オブジェクトの定義プロパティの値に基づいて、オブジェクトを区別またはフィルタリングすることになる。換言すれば、少なくとも１つの指定された定義プロパティを有するオブジェクトの指定されたクラスと、本発明の実施形態との間の相互作用のタイプの期待値は、同じ指定されたクラスを有するが、異なる特定の定義プロパティを有するオブジェクトの相互作用のタイプの期待値とは等しくない。期待値は、本発明の実施形態と相互作用するオブジェクトの少なくとも１つの特定のクラスに含まれる全てのオブジェクトについて、十分に正確な結果を提供するために十分に長い期間において計算された統計的期待値である。デフォルトでは、オブジェクトのクラスは、指定された装置と相互作用する全てのオブジェクトを含む。

次に図を参照すると、本明細書ではフィルタプレート９００とも呼ばれるプレートの例示的実施形態９００の側面図が図１に示される。フィルタプレート９００は、チャネルで形成された少なくとも１つの固体プレート１０００を含み、チャネルは、動的境界条件では、プレート１０００の入口側１００２の第１のリザーバ７５０から、チャネルを通って、プレート１０００の出口側１００４の第２のリザーバ７５１へと、オブジェクトの正味の変位を確立するように構成されている。チャネルの例は他の図に示され、以下で説明される。オブジェクトの正味の変位１０４０の方向が、フィルタプレートの例示的実施形態９００の入口側１００２から出口側１００４へと向かう矢印によって示されている。静的境界条件について、矢印１０４０は対象オブジェクトの圧力、密度、濃度の増加方向を示すことに留意されたい。以下の説明では、明記しない限り、動的境界条件が想定される。

図１は、媒体１０４６内の対象オブジェクトとの例示的な相互作用を示す、フィルタプレート９００の例示的実施形態である。入口側１００２が第１のリザーバに面し、出口側１００４が第２のリザーバに面している。両方のリザーバが媒体１０４６を含み、次いで媒体は対象オブジェクトを含み、対象オブジェクトは粒子７５２などの粒子によって概略的に表されている。各粒子は、軌跡７５５などの軌跡に沿って媒体中を移動できる。

理想化されたフィルタプレート９００の動作の概念を説明するために、フィルタプレートと相互作用する対象オブジェクトの以下の軌跡を考える。オブジェクト７５２、７５３、および７５４は、それぞれ軌跡７５５、７５６、および７５７で示すように、第１のリザーバからフィルタプレート９００へと入射する。この理想的な、単純化された例では、前述の３つの全てのオブジェクトがフィルタプレート内のチャネルを通過し、それぞれ軌跡７５９、７６０、７６１で示すように第２のリザーバへと送られる。後の時点での第２のリザーバ内の対象オブジェクト７５２、７５３、および７５４の位置が示されている。

オブジェクト７６５、７６３、および７６４は、オブジェクト７５２、７５３、および７５４と同一であり、それぞれ軌跡７６５、７６６、および７６７で示すように、第２のリザーバからフィルタプレート９００へと入射する。この理想的な単純化された例では、前述の３つのオブジェクト全てが、それぞれ軌跡７６８、７６９、７７０で示すように、フィルタプレートによって反射されて第２のリザーバの中へと戻る。後の時点での第２のリザーバ内の対象オブジェクト７６５、７６３、および７６４の位置も示されている。

したがって、動的境界条件では、矢印１０４０で示すように、第１のリザーバから第２のリザーバの中への対象オブジェクトの正味の拡散が存在する。したがって、本発明の実施形態は、ポンピングまたは推力の生成を含む用途で使用することができる。一般に、フィルタリング装置９００などのフィルタリング装置は、図１に示す理想的な形では動作しないことに留意されたい。典型的には、フィルタリング装置と相互作用する、第２のリザーバからの対象オブジェクトの一部分が拡散することになるか、または第１のリザーバの中へと送られることになる。静的境界条件の場合は、第２のリザーバから第１のリザーバの中へのＯＩの正味の拡散は、第１のリザーバから第２のリザーバの中へのＯＩの正味の拡散に等しい。フィルタリング装置と相互作用する、第１のリザーバからのＯＩの部分よりも、フィルタリング装置と相互作用する、第２のリザーバからのＯＩの部分がより多く反射されるので、第１のリザーバと比較して、第２のリザーバにおいて対象オブジェクトの濃度、密度、または圧力が高い。

図２は、プレート１０００および光学要素を備えるフィルタプレート９００の例示的実施形態の断面図である。図２の例では、フィルタプレートの例示的実施形態９００は、固体プレート１０００に隣接する屈折レンズ（１０２４、１０２６）として示される光学要素を含み、固体プレートは、線形チャネル１０３２によって接続された入口ポート１００６および出口ポート１００８で形成されている。図２では、媒体１０４６は光子の集合によって表され、例示的な光子の各々が、例示的な軌跡（９、１０、１１、１２、１３、１４、１５、１６）によって図に表されている。各光子は、３次元空間における軌跡に従う。そのような軌跡のＸＹ平面上への２Ｄ投影も、例えば軌跡９の形式で示されている。

プレート１０００の入口側１００２にある第１のリザーバ７、およびプレート１０００の出口側１００４にある第２のリザーバ８が、フィルタプレートの実施形態９００と相互作用するオブジェクトの起源、およびフィルタプレート内のチャネルを通過したオブジェクトの目的地を提供する。フィルタプレートのいくつかの実施形態９００は、第１および第２のリザーバを含み得る。代替として、リザーバは、フィルタプレートの動作中にフィルタプレートの実施形態に結合されてもよいが、フィルタプレートの実施形態の一部でなくてもよい。第１のリザーバおよび第２のリザーバは互いに隔離されていてもよく、ならびに第１のリザーバ７と第２のリザーバ８との間の界面を形成する図示した装置を除く任意の他のリザーバから隔離されてもよい。

図示したバルク材料４は、第１の表面６および第２の表面５を有する。光子と相互作用するように構成されたプレートの実施形態の場合、チャネルおよび／またはアパーチャの内部の表面を含む、バルク材料４の全ての表面は、光または他の電磁放射の選択された波長において高い反射性を有し得る。代替的実施形態では、バルク材料の表面は反射性が高くない場合がある。

バルク材料４は、例えば、金属であってもよい。代替として、バルク材料４の外部からアクセス可能な表面は、銀、アルミニウム、または選択された波長に対して好ましい反射率の値を有する別の材料などの反射性材料でコーティングされていてもよい。他の実施形態では、バルク材料４の温度は、外部温度調節装置によって調節され得る。プレート１０００を作製することができる他の材料としては、半導体処理工程または光学構成要素で使用されるシリコンなどの結晶性材料、セラミック、ガラス、ポリマー材料などの、付加製造プロセスに適合する材料、および開示されたチャネル形状が形成され得る他の材料が挙げられるが、これらに限定されない。

図２では、光子などのオブジェクトが、チャネル１０１８の例などの多くのチャネルを介して、図示した装置を通過することができる。図２の例では、各チャネル１０１８に対するプレート１００のアパーチャ３は、Ｙ軸に沿って見たときに円形の断面を有する。代替的実施形態では、チャネルは、正方形、長方形、または多角形などの他の断面形状を有してもよい。媒体１０４６の入口側１００２のオブジェクトは、フィルタプレートの実施形態９００を通過し、第１のリザーバ７における媒体１０４６に面するレンズ１０２４の表面を合わせた領域によって図２の例で表されるキャプチャ表面１０４４に最初に接触し、プレート１０００内の入口ポート１００６を通り、出口ポート１００８を出て、出口側１００４にある第２のリザーバ８の中へと入る。各凸レンズ１０２４、およびそれに関連する凹レンズ１０２６、および線形チャネル１０３２が、単一の装置ユニット１０４２の例である１つのオブジェクト透過チャネル１０１８を形成する。フィルタプレートの実施形態９００は、図２の例で示唆されるように、多くの装置ユニット１０４２を含み得る。装置の好ましい厚さ５６３は、後でより詳細に説明されるように、フィルタプレートの実施形態９００を通過するオブジェクトの平均自由行程の距離に応じて選択されてもよい。

装置との相互作用を通じて、第１のリザーバ７からの光子が、第１のレンズ、例えばこの例では両凸レンズである第１のレンズ１によって集束される。第１のリザーバ７からのいくつかの光子の方向は、第１の表面６に対する法線と平行でなくてもよい。ここで、第１の表面に対する法線はＹ軸と平行である。各第１のレンズは、特定のオブジェクト透過チャネル１０１８に関連している。この特定の場合では、第１のレンズの断面領域は、Ｙ軸に沿って見たときに六角形の形状である。他の実施形態では、第１のレンズの断面領域は、円形、長方形、または多角形などの別の形状であってもよい。

図２の例では、第２のレンズ２などの別のレンズが、チャネル内に、または第１の表面６上のチャネルの開口部内に位置し得る。第２のレンズは、第１のリザーバ７からの光子の方向を、第１のレンズ１によって集束された後に、より望ましい方向に変えるために使用される。望ましい方向は、第１の表面６の法線に平行な方向であってもよい。図２の例では、第２のレンズは両凹レンズである。各第２のレンズも特定のチャネルに関連している。本発明の他の実施形態では、第２のレンズがなくてもよい。図２は、凸レンズおよび凹レンズの例を示しているが、他のタイプの光学要素および／または光学要素の組み合わせが、代替的実施形態の一部であり得る。

チャネル３などのチャネル、第１のレンズ１などの関連する第１のレンズ、第２のレンズ２などの関連する第２のレンズ、第１のレンズとバルク材料との間のギャップ１７、ならびにバルク材料４などの、レンズを支持するために使用される任意の関連する支持材料、から構成される装置のセットは、上述のように「装置ユニット」と称される場合がある。装置ユニット内の光子の可能な軌跡のセットは「チャネルシステム」と称される。

フィルタプレートの実施形態９００に含まれる、プレート１０００のバルク材料４は、プレートのいくつかの実施形態の動作にとって、対象の範囲内の波長を有する光子がバルク材料を通過できないように、すなわちバルク材料が不透明であるように選択されることが好ましい。波以外のオブジェクト、例えば質量および体積を有する粒子を処理するように構成されたプレートの実施形態９００では、バルク材料４は、装置の動作中に遭遇する可能性のあるオブジェクトの速度および密度において、対象オブジェクトに対して不透過性であるように選択されることが好ましく、これによりプレートを通るオブジェクトの透過が、プレート１０００内に形成されたチャネルに制約される。

図２では、レンズはガラスで作製されていてもよい。他の実施形態では、レンズは他の材料で作製されていてもよい。レンズの材料は、レンズを取り囲む媒体とは異なる屈折率を有する。図２では、レンズを取り囲む例示的な媒体は真空である。他の実施形態では、媒体はまた、低圧ガスを含むことができる。

代替的実施形態では、他の形状のレンズが使用されてもよい。例えば、平凸レンズまたは凸メニスカスレンズが使用されてもよい。他の実施形態はまた、メタ材料で構築された光学要素、反射を使用する光学要素、屈折と反射の組み合わせを使用する光学要素、再構成可能な表面を有する光学要素、および図４の例で示唆されるような内部反射用に構成された光学要素など、他のタイプの光学要素を使用してもよい。代替的実施形態は、異なる集束手段を使用してもよい。

図２の例で示唆されるように、第１のリザーバ７からの光子と図示した装置との間の相互作用は、光子が、プレートの実施形態９００の表面、チャネル、および任意選択の光学要素に入るか、交差するか、接触するか、またはそれらによって影響を受けた時に開始したと考えることができる。例示的なインターフェースが、第１の境界面１０４４によって図示されている。この場合、装置と第１のリザーバ７との間の界面は、第１のレンズのみで構成されていることに留意されたい。図２の例では、第１の境界領域は、第１のリザーバ７に面する第１のレンズのアセンブリ１０２４を組み合わせた表面領域に等しい。光子が第２の表面５を含む平面に対して通過するか、交差するか、または接触する時に、第２のリザーバ８からの光子と図示した装置との間の相互作用が開始したと定義することができ、ここで平面はＸＺ平面に平行である。この平面は、第２の境界面５と称される場合がある。したがって、相互作用は、第１または第２のリザーバの光子が境界面と交差するか、または接触する時に開始すると定義される。相互作用は、第１または第２のリザーバ内の光子が、いかなる境界面とも、もはや交差しないか、またはもはや接触しない時に終了すると定義され得る。

相互作用全体にわたって、図２に示すプレートの実施形態の例は、光子が第２のリザーバへの界面に到達する前に、第１のリザーバに由来する光子を集束させるように構成されている。このような界面は、チャネル３と第２のリザーバ８との間の界面を表す平面によって形成される。このようにして、チャネル３を通過する光子が、第１のリザーバ７に由来する確率は、５０％のベースライン確率を越えて増加する。その結果、第１のリザーバ７から第２のリザーバ８への光子の正味の透過が存在する。デフォルトの境界条件が削除された後に、第１および第２のリザーバのサイズが有限であり、そうでない場合には互いに、および他のいかなるリザーバとも隔離されていると、第１のリザーバ内の光子の正味エネルギーは時間と共に低減する場合があり、第２のリザーバ内の光子の正味エネルギーは、それに応じて増加する場合がある。ここで、正味エネルギーは、リザーバ内の全ての光子のエネルギーの合計に対応する。図２に示す装置のいくつかのステージを直列に接続すること、すなわち、図６の例で示唆されるように、第１の装置の第２のリザーバを第２の装置の第１のリザーバと一致させることにより、第１のリザーバ７内の光子の望ましい定常状態の正味エネルギーを実現できる。

図２の例では、光子の集束は、第１のレンズ１などの第１のレンズによる、光子の偏向または連続的な屈折によって達成される。例えば、第１のリザーバ７に由来し例示的な軌跡９に関連する光子は、第１のレンズ１によって偏向され、それにより光子の軌跡９は第１のレンズ１に関連するチャネルに入り、そこで光子は第２のレンズによって更に偏向される。光子は引き続きチャネルを出て、第２のリザーバ８の中に入る。プレートを通る光子の同様の透過が、軌跡１０、１１、および１２によって記述されている。バルク材料４と、第１のレンズ１などの第１のレンズのアセンブリとの間の区域は、ギャップ１７であってもよい。ギャップ１７は、真空であってもよく、または代替的に材料物質で充填されていてもよい。光子は、第１の表面６、チャネル壁、および第２の表面５によって反射され得る。後者は、軌跡１３、１４、１５、および１６によって例示されている。第１のリザーバ７に由来する光子の一部が、相互作用が完了すると、第１のリザーバ７に戻ることになることに留意されたい。同様に、第２のリザーバ８に由来する光子の一部が、相互作用が完了すると、第１のリザーバ７において見られることになる。しかし平均すると、相互作用の全体にわたって第１のリザーバ７から第２のリザーバ８へと移動する光子の透過が、デフォルトの境界条件では、反対方向に移動する光子の透過を超えるように装置が構成されている。

境界面の一部は、「キャプチャ表面」１０４４と称される場合がある。例えば、第１のキャプチャ表面は、選択された第１のレンズに関連する第１の境界面の一部であってもよい。図２の例では、第１のキャプチャ表面は、第１のリザーバ７に面する第１のレンズの表面である。第２のキャプチャ表面は、ＸＺ平面に平行であって、第２の表面５と一致する平面上のチャネルの断面によって説明され得る。この例では、第２のキャプチャ表面は円形の形状である。この場合、第１のキャプチャ表面は第２のキャプチャ表面よりも大きい。第１のキャプチャ領域は、第１のキャプチャ表面の表面領域に等しく、第２のキャプチャ領域は、第２のキャプチャ表面の表面領域に等しい。「第１のフットプリント表面」は、装置ユニットに関連する境界面全体、すなわち、第１のキャプチャ表面、ならびに隣接する第１のレンズ間の任意の表面の合計を指す。換言すれば、装置ユニットのフットプリント表面の境界は、隣接する装置ユニットの他のフットプリント表面の境界によって提供され、装置ユニットは任意選択的にＸＺ平面内で周期的に配置され得る。図２の例では、第１のキャプチャ表面１０４４とフットプリント表面は同一である。同様に、「第２のフットプリント表面」は、第２の境界表面への第１のフットプリント表面の境界の投影を指し得る。

制御ボリュームは、プレートの実施形態に対して定義され得る。例えば、投影された第１のフットプリント表面は、第１のフットプリント表面の境界によって境界が定められ、ＸＺ平面に平行な平面によって表される表面を指し得る。投影された第１のフットプリント表面は、第１のレンズが平凸レンズであり、平面側が第１のリザーバ７に面している構成の平面である。この平凸レンズの例では、制御ボリュームを、投影された第１のフットプリント表面、第２のフットプリント表面、およびＹ軸に平行な表面によって境界が定められ、第１および第２のフットプリント表面の境界の、対応する投影された点を接続したものと定義できる。この例では、第１のリザーバ７に面する制御ボリュームの表面は第１の表面と表され、第２のリザーバ８に面する制御ボリュームの表面は第２の表面と表される。

デフォルトの境界条件では、光子が、制御ボリュームの第１または第２の表面に接触または交差する前に、第１のリザーバ７内に位置している確率は５０％であり、５０％の確率が第２のリザーバ８に適用される。これは、第１の表面と第２の表面の領域と形状寸法が同じであるという事実と、両方のリザーバ内の媒体が同一であるという前述の仮定から生じ、ここで領域は時間および空間で均一である。第１の表面に入射し、制御ボリュームの中にも入る光子の割合は、第１のキャプチャ領域と第１の表面の領域との比率にほぼ等しい。この例では、第１のキャプチャ表面は第１の表面と同一である。第２の表面に入射し、制御ボリュームの中にも入る光子の割合は、第２のキャプチャ領域と第２のフットプリント表面の領域との比率に等しく、これは１未満である。第１のキャプチャ領域は第２のキャプチャ領域よりも大きいので、光子が第１のリザーバ７から制御ボリュームシステムに入る確率は、光子が第２のリザーバ８から制御ボリュームに入る確率よりも大きい。第１のキャプチャ表面を介して制御ボリュームに入り、第２のキャプチャ表面を介して出る光子の割合は、「第１の透過率」と称される場合がある。第２のキャプチャ表面を介して制御ボリュームに入り、第１のキャプチャ表面を介して出る光子の割合は、「第２の透過率」と称される場合がある。透過率の値は、媒体のプロパティと装置ユニットの形状寸法の関数である。透過率は、例えば、レンズのタイプ、サイズ、形状、材料に依存する。これらパラメータおよびその他の関連パラメータ、例えば第１のキャプチャ領域と第２のキャプチャ領域との比率を最適化して、制約を受ける目標を最大化できる。例示的な目標は、第１のリザーバ７から第２のリザーバ８への光子の正味の透過であってもよく、それにより第１のリザーバ内の正味エネルギーを低減させ、第２のリザーバ内の正味エネルギーを増加させる。デフォルトの境界条件では、これは、第１の透過率と第２の透過率との比率に、第１のキャプチャ領域と第２のキャプチャ領域との比率を乗じたものが１よりも大きい場合に生じることになる。換言すれば、第１の積と第２の積との比率は１よりも大きく、ここで、第１の積は、チャネルシステムの入口ポートのキャプチャ領域、すなわち第１のキャプチャ領域と、入口ポートに関連する第１の透過率との積であり、第２の積は、チャネルシステムの出口ポートのキャプチャ領域、すなわち第２のキャプチャ領域と、出口ポートに関連する第２の透過率との積である。好都合な場合は、第１のリザーバおよび第２のリザーバは、前述の比率が１よりも大きくなるように定義される。いくつかの実施形態では、この比率の値は、対象オブジェクトを含む媒体のプロパティに依存することに留意されたい。そのような実施形態では、この比率が１よりも大きくなるように第１のリザーバおよび第２のリザーバを定義することが常に好都合であるとは限らない。そのような実施形態では、第１のリザーバは、より大きいキャプチャ領域を有する、チャネルの一部に面するリザーバである。この定義に従うと、周囲の媒体のプロパティに応じて、前述の比率が１よりも小さくなる場合があることに留意されたい。これらのプロパティは、例えば、隣接する媒体における対象オブジェクトの速度の分布を含み得る。本発明の実施形態の第１のリザーバおよび第２のリザーバ、第１のキャプチャ領域および第２のキャプチャ領域、ならびに第１の透過率および第２の透過率は、前述の比率が常に１よりも大きくなるように定義または再定義できることに留意されたい。換言すれば、チャネル開口部を、出口ポートではなく入口ポートとして、または第２のチャネル開口部ではなく第１のチャネル開口部としてラベル付けすることは、特定の用途について、または媒体の特定のプロパティについて、前述の比率がわかるまでは恣意的であり、その時点で、比率が１よりも小さくなるようにではなく、１よりも大きくなるように、表記が適合される。

動的境界条件では、入口側から出口側へのオブジェクトの正味変位に対して、第１の透過率が、第２の透過率よりも十分な量だけ大きいならば、第１のキャプチャ領域は第２のキャプチャ領域よりも小さくなる可能性があり、その結果、第１の透過率と第２の透過率との比率と、チャネルシステムの第１のキャプチャ領域とチャネルシステムの第２のキャプチャ領域との比率、の前述の積が１よりも大きくなることに更に留意されたい。

第１のリザーバから第２のリザーバへの光子の正味の透過を使用して、例えば第２のリザーバを加熱するという代償を払って、第１のリザーバを冷却することができる。定常状態では、第１および第２のリザーバが任意の他のリザーバから隔離されている場合、プレートの実施形態の動作により、第１のリザーバと第２のリザーバとの間に正味の温度差が生じることになる。この温度差を利用して、第１のリザーバ内に位置するオブジェクトを冷凍することができる。例えば、第２のリザーバは、冷凍装置が位置する部屋であってもよい。定常状態での温度差の大きさは、他のパラメータの中でもとりわけ、本発明の装置の前述の形状寸法によって決定される。

図２に関連する例において光子の透過について説明された選択されたプロパティ、特徴、代替的実施形態、および／または動作方法はまた、例えば、プレートの入口側からプレートの出口側への、音響波、海洋波、音子などの他のタイプの波の変位、または質量および体積を有する粒子の変位において、動的境界条件では、第１のリザーバから第２のリザーバへの正味のオブジェクト変位を確立するために、図３〜図１２について説明された例にも適用され得る。開示されたフィルタプレートの実施形態では、第１のリザーバから第２のリザーバへのオブジェクトの正味の変位は、第１の透過率と第２の透過率との比率と、チャネルシステムの第１のキャプチャ領域と第２のキャプチャ領域との比率、の積の関数である。これらのパラメータは以下に定義されている。同一のチャネルシステムのアレイの場合、第１のキャプチャ領域と第２のキャプチャ領域との比率は、入口ポートを合わせた合計領域と出口ポートを合わせた合計領域との比率に等しい。ここで領域は、入口ポート１００６についてはプレート１０００の入口側１００２において、出口ポート１００８についてはプレート１０００の出口側１００４において計算された。１つの入口ポートの領域は、フィルタプレート９００の入口側にある第１のリザーバ内の媒体に露出されたキャプチャ表面の領域を指す。１つの出口ポートの領域は、プレートの出口側のチャネルの断面領域を指す。

図３は、フィルタプレートの別の例示的実施形態９００の断面図である。図２と同様に、媒体１０４６の例は光子の集合によって表され、ＸＹ平面上での光子軌跡の投影が軌跡（１０８、１０９、１１０、１１１、１１２、１１３、１１４）によって例示されている。

図３の例では、プレート１０００の入口側１００２が第１のリザーバ１００に面しており、プレートの実施形態の出口側１００４が第２のリザーバ１０１に面している。図示したバルク材料１０２は、入口側１００２にある第１の表面１０３、および出口側１００４にある第２の表面１０４を有する。プレート１０００は、第１の反射器１０４８として成形された表面を有し得る。反射面１０６を備える第２の反射器１０５が、バルク材料１０２に堅固に取り付けられてもよく、任意選択的に、バルク材料１０２の一体部分であってもよい。バルク材料１０２の選択された表面が、対象の波長において最小の指定された反射率を有し得る。

図３では、光子は、プレートを通して形成されたチャネル、例えばチャネル１０７、を介してプレート１０００を通過し得る。図示した例では、各チャネルは円筒形であり、Ｙ軸に沿って見たときに円形の断面で形成されている。

装置との相互作用の全体にわたって、第１のリザーバ１００からの光子が、図３の例では反射性の第１の表面１０３によって表される第１の光学要素によって集束される。この例では、光学要素はミラーである。鏡の反射面は代替として、球面、平面、放物面、または双曲線面として形成されてもよい。各ミラーの外側エッジの外周形状は、代替として、図１１の例で示唆されるような六角形、図１０の例で示唆されるような円形、または他の弓形または多角形の形状、例えば図１１のミラーの六角形の外周、および図１２のミラーの面取り長方形の形状であってもよい。

第２の光学要素が含まれていてもよい。図３の例における第２の光学要素は、反射面１０６を有する反射器１０５によって表される。図３の例では、第２の光学要素１０５上の反射面１０６は凸面である。代替的実施形態では、反射面１０６は、平面、球面、または双曲線面として形成されてもよい。プレート内の、第１の光学要素の各々、第１の光学要素の各々に関連する第２の光学要素、および第１の光学要素を通るアパーチャが一緒になって、１つの透過チャネル１０１８を形成する。入口ポート直径１０１４および出口ポート直径１０１６の例が、透過チャネル１０１８のうちの１つに対してマークされている。図３の例における１つの透過チャネル１０１８は更に、１つの装置ユニット１０４２に対応する。実施形態は、好ましくは、図３の例で示唆されるように、多数の装置ユニット１０４２を含んでもよい。

図３の例、および全ての入射光子がＹ軸に平行である他の例では、第２の光学要素１０５上の反射面１０６から反射された後に、第１の表面１０３の焦点が、関連するチャネルの近くまたは内部に位置することが望ましい場合がある。

図３で示唆されるように、例示的な装置ユニットは多数の個々の透過チャネルを含んでもよく、各透過チャネルは、第１の光学要素、例えばミラー１０３と、第１の光学要素を通って形成されたチャネルアパーチャ、例えばチャネルアパーチャ１０７と、第２の光学要素、例えばミラー１０６と、他の構成要素を配置し支持するための、プレートのバルク材料１０２内に形成された関連する任意の構造体と、を含む。説明したような光学要素を任意選択的に含み得るプレートの実施形態を通る光子の可能な軌跡のセットは、「チャネルシステム」と称される場合がある。前と同様に、光子は、好ましくは、透過チャネル１０１８を通過することなくバルク材料１０２を通過することができない。

図３の例における光学要素は、真空中に配置されてもよい。代替的実施形態では、媒体は、固体結晶格子、水または別の流体、空気、またはポリマー材料などの他の材料を含んでもよい。

相互作用全体にわたって、図３の例示的実施形態は、第１のリザーバに由来するオブジェクト、例えば、光子もしくは音子、または質量および体積を有する粒子を、オブジェクトが第２のリザーバへの界面に到達する前に、集束させるように構成されている。このような界面は、チャネル１０７と第２のリザーバ１０１との間の界面を表す平面によって形成される。このようにして、チャネル１０７を通過するオブジェクトが、第１のリザーバ１００に由来する確率は、５０％のベースライン確率を越えて増加する。その結果、第１のリザーバ１００から第２のリザーバ１０１へのオブジェクトの正味の透過が存在する。いったんデフォルトの境界条件が削除され、第１および第２のリザーバのサイズが有限であり、そうでない場合には互いに、および他のいかなるリザーバとも隔離されていると想定すると、第１のリザーバ内のオブジェクトの正味エネルギーは、時間と共に低減する可能性があり、第２のリザーバ内のオブジェクトの正味エネルギーはそれに応じて増加する可能性がある。図３に示す装置のいくつかのステージを直列に接続することにより、第１のリザーバ１００においてオブジェクトの所望の定常状態の正味エネルギーを達成することができる。

図３の例示的実施形態では、オブジェクトは、各透過チャネルに対する第１の反射面１０３からの、および第２の反射面１０６からの反射によって集束され、２つの反射面は、各チャネルにある反射面の組み合わせに対する焦点距離を定義する。オブジェクトの一部、例えば第１のリザーバ１００に由来し軌跡１０８に沿って移動するオブジェクトは、Ｙ軸に平行であり、反射されてチャネル１０７の中に入り、よって第２のリザーバ１０１の中に入る。他のオブジェクトは、ｙ軸に平行ではないが、依然としてチャネルを通過するオブジェクトをもたらす軌跡（例えば、軌跡１０９、１１０、および１１１）に従い得る。

軌跡１１２、１１３、および１１４によって例示されるように、オブジェクトは、バルク材料の任意の表面、例えば第２の表面１０４によって反射され得る。第１のリザーバ１００に由来するオブジェクトの一部が、相互作用が完了すると、第１のリザーバ１００に戻ることになることに留意されたい。同様に、第２のリザーバ１０１に由来するいくつかのオブジェクトが、相互作用が完了すると、第１のリザーバ１００において見られることになる。しかし平均すると、相互作用の全体にわたって、プレートの実施形態を通って第１のリザーバ１００から第２のリザーバ８へと移動するオブジェクトの透過は、デフォルトの境界条件では、反対方向に移動するオブジェクトの透過を超える。

図４は、別の代替的なフィルタプレートの実施形態９００の断面図である。図４では、媒体１０４６は、オブジェクト２２６などの個々のオブジェクトによって表されている。各オブジェクトは、例示的な軌跡２２０、２２１、２２２、２２３、２２４、２２５などの３次元空間での軌跡に従う。軌跡に沿った動きは、光子の場合のように、オブジェクトの固有のプロパティである場合があり、または、媒体の他のオブジェクトとの相互作用から、例えば媒体内でのオブジェクトの拡散から生じる場合がある。

図４の例では、第１のリザーバ２０１に由来するオブジェクトは、フィルタプレートの例示的実施形態９００において形成されたチャネル（２１２、２１３、２１４、２１５、２１６、２１７、２１８）を通過して第２のリザーバ２０２の中へと入り得る。図４の例示的なプレート１０００は、第１の表面２０３および第２の表面２０４を有する。図４のチャネルの配置は主幹および分岐チャネル構成の例であり、ここでは、分岐チャネル１０１２、例えばチャネル２１２、２１３、２１４、２１６、２１７、および２１８が、入口ポート１００６を通してプレート１０００の入口側１００２と、および主幹チャネル２１５と流体連通しているが、分岐チャネルは、直接は互いに流体連通していない、すなわち、分岐チャネルの表面は他のいかなる分岐チャネルの表面とも交差していない。主幹チャネル２１５は、プレート１０００の入力側１００２からプレートの出力側１００４へと延びている。各分岐チャネルは好ましくは、１つの、１つだけの入口ポート１００６に結合され、各分岐チャネル１０１２には別々の入口ポート１００６が設けられ、各分岐チャネルは好ましくは、１つの、１つだけの出口ポート１００８に結合されている。図４の例示的な主幹および分岐の構成については、１つの主幹チャネルに関連する全ての分岐チャネルが、共通の出口ポート１００８を共有している。一実施形態は、多くの主幹チャネル１０１０を含んでもよく、各主幹チャネルは、図４の例に示すよりも多くの分岐チャネル１０１２を有してもよい。各主幹チャネル１０１０、およびそれに接続された分岐チャネル１０１２は、チャネルシステムと称される場合がある。オブジェクトは、反射によって（例えば、光子、または音子、または音響波の場合）、または衝突によってチャネルに沿って移動しチャネル壁で跳ね返り得る（例えば、質量と体積を有する粒子の場合）。

本明細書では、代わりに装置ユニット１０４２と呼ばれ得るチャネルシステムは各々が、２つ以上の入口ポートを有し得るが、１つだけの出口ポートを有し得る。本明細書に開示されるフィルタプレートの実施形態のこの属性は、光子などの波などのオブジェクトと相互作用するように構成されたフィルタプレート、およびポリマー分子、細胞、塵埃粒子などの、質量と体積を有する粒子と相互作用するように構成されたフィルタプレートに適用される。

各分岐チャネルおよび主幹チャネルは、プレート１０００の入口側１００２にある対応する入口ポート１００６において直径１０１４を有して形成されている。主幹チャネルは、プレート１０００の出口側１００４にある出口ポート１００８において直径１０１６を有する。入力ポートの合計入力領域と出力ポートの領域との比率は、これらの直径（１０１４、１０１６）を使用して計算され得る。図４の例では、主幹チャネル１０１０の長さは、プレート１０００の厚さ５６３に対応する。

図４は、異なる形状を有する分岐チャネルの例を更に表している。主幹チャネル１０１０の左側の例示的な分岐チャネル１０１２は、弓形の輪郭を有し、弓形チャネル１０３０と称される場合がある。主幹チャネル１０１０の右側の例示的な分岐チャネルは、線形の輪郭を有し、線形チャネル１０３２と称される場合がある。プレート１０００は、弓形チャネル１０３０のみで、線形チャネル１０３２のみで、または線形および弓形チャネルの組み合わせで形成されてもよい。図４の例における全てのチャネルは、同じ入口ポート直径１０１４を有する。代替的実施形態では、入口ポート１００６は、異なるチャネルまたは異なる装置ユニット１０４２に対して異なる直径を有してもよい。

各チャネルは、チャネルの長さに沿って見たときに円形の断面を有してもよく、この断面は、チャネル２１５の場合、Ｙ方向に沿った図に対応する。他の実施形態では、チャネルは任意の断面、例えば正方形、長方形、または多角形の断面を有し得る。各チャネルは第１の開口部、例えば、第１の開口部２０８、または第１の開口部２１０の別の例、を有する。各チャネルシステムは、単一の出口ポート１００８を通して第２のリザーバ２０２と流体連通している。チャネルは、プレート１０００のバルク材料２００内に形成される。「動的媒体材料」は、第１のリザーバ２０１および第２のリザーバ２０２に見られる材料、ならびにチャネル２１２、またはチャネル２１５、またはチャネル２１７などのチャネルの内部の材料を含み得る。媒体が個々の分子またはより大きな粒子から構成される例では、バルク材料２００は、金属またはセラミックなどの固体材料であり得る。いくつかのタイプの媒体が存在して、第１の媒体が第２の媒体の輸送または拡散をサポートする場合がある。例えば、対象オブジェクトが電子である場合、バルク材料２００はガラスなどの絶縁体であってもよく、動的媒体材料が対象オブジェクトに対する導体であってもよい。同様に、プレートの実施形態が脱塩に使用される用途では、水分子がナトリウムおよび塩素イオンを輸送し得る。対象オブジェクトが光子や音子などの波として記述される場合、チャネルを導波路と見なし得る。図４のプレートの例示的実施形態の場合、粒子と図示した装置との間の例示的な相互作用は、粒子が第１または第２の表面を含む平面を通過するか、交差するか、または接触する時に開始すると考えることができる。ここで平面はＸＺ平面に平行であり、相互作用する前の移動方向は、バルク材料の関連する表面の外向きの法線方向、すなわち第１の表面については正のＹ方向、第２の表面については負のＹ方向に向けられた方向、とは反対の方向である。これらの平面は、それぞれ第１の平面および第２の平面と称される場合がある。相互作用は、粒子がもはや、第１の平面および第２の平面と交差しないか、または接触しない時に終了する。本明細書で使用される場合、「接触」とは、媒体のオブジェクトと、バルク材料のオブジェクト２００などの装置のオブジェクトとの間に無視できない力が存在することを指す。

図４に示すプレートの例示的実施形態は、第１のリザーバに由来するオブジェクトが第２の開口部２１９などの、第２のリザーバへの界面に到達する前に、オブジェクトを収集または集束させるように構成されている。このようにして、第２の開口部２１９を通過するオブジェクトが第１のリザーバ２０１に由来する確率は、５０％のベースライン確率を越えて増加する。その結果、第１のリザーバ２０１から第２のリザーバ２０２への粒子の正味の変位が存在する。フィルタプレートの実施形態９００は、好ましくは、動的境界条件におけるオブジェクトの自己エネルギーによって促進される拡散または運動のプロセスによって、第１のリザーバから第２のリザーバへのオブジェクトの変位を強めるように構成される。光子などのオブジェクトと相互作用するように構成されたプレートの実施形態の場合、プレートの実施形態は、好ましくは、オブジェクトを屈折および／または反射によってプレートの実施形態のチャネルを通して導くように構成されている。他の実施形態では、他のそのような収集メカニズムを使用してもよい。

デフォルトの境界条件が削除された後に、第１および第２のリザーバのサイズが有限であり、そうでない場合には互いに、および他のいかなるリザーバとも隔離されている場合は、第１のリザーバ内の対象オブジェクトの濃度は時間と共に減少する可能性があり、第２のリザーバ内の対象オブジェクトの濃度はそれに応じて増加する可能性がある。したがって、プレートの実施形態の開示された例は、ポンピング用途に効果的であり得る。図４に示すフィルタプレート９００の例示的実施形態のいくつかのステージを直列に接続すること、すなわち、第１の装置の第２のリザーバを第２の装置の第１のリザーバと一致させることにより、第１のリザーバ２０１内の対象オブジェクトの望ましい定常状態の濃度を実現できる。

図４の例では、オブジェクトの収集は、任意の所与のチャネルに入るオブジェクトを中央チャネル２１５に導くことによって実現される。例えば、軌跡２２１に関連する粒子はチャネル２１３に入り、中央チャネル２１５へと導かれるにつれてチャネル内の壁から数回反射され、その後、引き続き第２の開口部２１９を通って第２のリザーバ２０２へと出ることになる。同様に、軌跡２２３に関連する粒子は、チャネル２１８に入り、中央チャネル２１５へと導かれる。軌跡２２２に関連する粒子などの、チャネル２１５に入る粒子は、第２の開口部２１９を通って出るまで、チャネル２１５内にとどまることになる可能性がある。軌跡２２０に関連する粒子は、例示的なチャネル２１２の入口ポート１００６に入り、好ましくは更に、第２の開口部２１９に形成された出口ポート１００８を通って出ることになる。粒子２２６は、軌跡２２５によって示されるように、第２の表面２０４から反射される。軌跡２２４は、第２のリザーバ２０２からの粒子が第１のリザーバ２０１へと戻ることを阻止される別の例を描いている。第１のリザーバ２０１に由来する粒子の一部が、相互作用が完了すると、第１のリザーバ２０１に戻る場合がある。同様に、第２のリザーバ２０２に由来する粒子の一部が、相互作用が完了すると、第１のリザーバ２０１に見られる場合がある。しかし平均すると、相互作用の全体にわたって第１のリザーバ２０１から第２のリザーバ２０２へと移動する粒子の流量は、デフォルトの境界条件では、反対方向に移動する粒子の流量を超える。

「キャプチャ領域」は、装置の指定された側にある特定のチャネルシステムへの全ての開口部の断面領域であると定義することができる。「第１のキャプチャ領域」は、プレートの第１の側、すなわちプレートの入口側にある同じ中央チャネルに関連するチャネルの全ての第１の開口部の領域である。「第２のキャプチャ領域」は、プレートの第２の側、すなわち出口側にある中央チャネルに関連する全ての第２の開口部の領域である。本明細書に開示されるプレートの例示的実施形態については、第１のキャプチャ領域は、好ましくは、第２のキャプチャ領域よりも大きい。

「フットプリント領域」は、チャネルシステムに関連する合計領域、すなわち、第１の表面２０３上にある、関連するバルク装置の第１のキャプチャ領域ならびに第１の表面領域との合計と定義することができる。チャネルシステムのフットプリント領域の境界は、隣接するチャネルシステムの他のフットプリント領域の境界によって提供され、チャネルシステムはＸＺ平面内で周期的に配置され得る。例えば、フットプリント領域の境界は六角形の形状を有してもよい。この例示的実施形態では、キャプチャ領域およびフットプリント領域は、ＸＺ平面上にある。制御ボリュームを、第１の表面上のフットプリント領域によって輪郭が描かれた、第１の平面上の領域、ならびにＹ軸に沿って投影された、第２の平面上の対応する領域、ならびに制御ボリュームの第１の表面と第２の表面の対応する点を接続する、Ｙ軸に平行な面、によって定義することができる。

デフォルトの境界条件では、媒体のオブジェクトが、制御ボリュームの第１の表面と相互作用する前に、第１のリザーバ２０１に位置している確率は５０％であり、他の５０％が第２のリザーバ２０２に適用される。第１のキャプチャ領域は第２のキャプチャ領域よりも大きいので、粒子が第１のリザーバ２０１からチャネルシステムに入る確率は、粒子が第２のリザーバ２０２からチャネルシステムに入る確率より大きい。第１のキャプチャ領域を介してチャネルシステムに入り、第２のキャプチャ領域を介して出る粒子の割合は、「第１の透過率」と称される場合があり、「第２の透過率」は、それに対応して定義される。透過率の値は、装置の形状寸法、ならびに媒体のプロパティの関数である。本明細書で説明するように構成されたプレートのデフォルトの境界条件では、第１の透過率と第２の透過率との比率に、第１のキャプチャ領域と第２のキャプチャ領域との比率を乗じたものが１よりも大きい場合に、第１のリザーバ２０１から第２のリザーバ２０２へのオブジェクトの正味のフローが存在することになる。チャネルシステムの形状寸法と、第１のキャプチャ領域と第２のキャプチャ領域との比率は、制約を受ける目標を最大化するために最適化できるパラメータの例である。目標は、第１のリザーバ２０１から第２のリザーバ２０２への対象プロパティの正味の流量であってもよい。

拡散および／または光伝搬によってオブジェクトを伝達するための、開示されたプレートの例示的実施形態の有効性は、隣接する媒体内の対象オブジェクトのプロパティだけでなく、装置の形状寸法およびサイズ、特にプレート内に形成されたチャネルの断面直径と長さ、およびプレートの出力側のポートの合計領域と比較した、プレートの入力側のポートの合計領域によっても影響を受ける。プレートの例示的実施形態の厚さ、またはプレートの実施形態の層の厚さは、Ｙ軸に沿った基準構造の外形寸法、例えば図４のチャネル２１５の長さである。

対象オブジェクトが粒子であるプレートの実施形態の用途では、例えば、第１のリザーバ２０１からチャネルシステムに入る粒子の初期的な必然的に負のＹ速度成分を維持するために、チャネルシステムにおいて過剰な散乱を回避することが望ましい場合がある。本明細書における議論のために、負のＹ方向は、Ｙ軸に平行な、プレートの入力側からプレートの出力側への方向を指す。したがって、高い第１の透過率を維持するために、装置の厚さは、媒体中の粒子またはオブジェクトの平均自由行程よりも３桁大きい長さよりも小さいことが望ましい場合がある。いくつかの実施形態では、装置の厚さが平均自由行程の一部分であることが好ましい場合がある。

媒体中の粒子の平均自由行程は、粒子が他の粒子と衝突する間に、粒子が移動する平均距離として定義され得る。平均自由行程の値の見積もりを、以下の関係式（１）によって行うことができる。

ここで、λは平均自由行程、ｎは粒子の数密度、σは粒子の衝突直径である。

チャネルの特性幅は、同様の考慮事項に従う。幅は、例えば、粒子直径の１０倍の程度であり得る。幅は、用途、および媒体のプロパティ、および装置の材料に応じて、それよりも数桁大きい、または数桁小さい場合がある。対象オブジェクトがチャネルを通過できるように、チャネルの最小幅は対象オブジェクトの衝突直径よりも大きいことに留意されたい。

他の実施形態では、図４に示すフィルタリング装置と同様に構成されたフィルタリング装置を使用して、電子、音波、または音子などの対象オブジェクトのタイプの他の種類と相互作用することができる。以下の例の一部では、対象オブジェクトは光子である。他の例では、対象オブジェクトは、質量および体積を有する粒子である、または代替として波であり得る。対象オブジェクトが粒子である場合、プレートの実施形態の有効性は、装置の形状寸法およびスケール、またはサイズの関数であり得る。いくつかの用途では、過度な光子−光子散乱、光子−オブジェクト散乱、および／またはチャネルシステム内の壁による拡散反射を回避することが望ましい場合がある。そのような散乱挙動は、装置の構成において考慮され、少なくとも部分的には補償され得るが、例えば、第１の透過率を低下させることによって装置の意図された性能を低下させ得る。散乱がない場合、例えば、上部ステーション２０１からチャネルシステムに入る粒子の初期的な負のＹ速度成分が維持される可能性が高く、これが、いかなる所望の集束効果をも強化することになる。

光子−オブジェクト散乱とは、第１または第２のリザーバの媒体中にも存在し得るオブジェクトからの光子の散乱を指す。望ましくないオブジェクトがチャネルシステムに入らないようにすることが可能であって望ましい場合がある。例えば、これは、水分子、空気分子、塵埃粒子などのこのような望ましくないオブジェクトをチャネルシステムから人工的に除外、削除、またはフィルタリングすることによって達成できる。例えば、冷蔵室または部屋にある空気分子などのオブジェクトはいずれも、プレートの実施形態と第１および第２のリザーバとの間に位置する金属プレートまたはガラスパネルなどのフィルタによって、チャネルシステムに入ることが防止され得る。フィルタは、対象オブジェクト、例えば光子の少なくとも一部を送ることが可能であり得る。

フィルタによって形成された境界内で、プレートを、真空などの好適な、または望ましいタイプの媒体に浸漬させて、いかなる望ましくない散乱をも最小限に抑えてもよい。このようなフィルタリングは、光子−光子散乱などの一部のシナリオでは、常に可能または実用的であるとは限らない。その場合に、高い第１の透過率を維持するために、装置の高さは、媒体中の光子の平均自由行程よりも数桁大きい長さよりも小さいことが望ましい場合がある。いくつかの実施形態では、装置の厚さが平均自由行程の値よりも小さいことが好ましい場合さえある。チャネルの特性幅は、同様の考慮事項に従う。幅はまた、例えば、媒体中の光子の平均自由行程の数桁以内であってもよい。幅はまた、用途と、装置の媒体および材料のプロパティとに応じて、平均自由行程の一部分であってもよい。場合によっては、対象オブジェクトが適切な平均自由行程長を有するように媒体を構成することが望ましい場合があることに留意されたい。他の要因のなかでも、適合性は、特定の製造方法の公差と、プレートの実施形態の必要なサイズおよび形状の分解能との間の関係によって決定され得る。図５は、別のプレートの例示的実施形態９００の断面図である。以下の例では、媒体１０４６は、光子の集合によって表されるが、媒体は代わりに、音子または音波などの異なるタイプの波を含むか、または質量および体積を有する粒子の集合を含み得る。図５のプレートの例示的実施形態９００は、プレート１０００の第１の側１００２にある第１のリザーバ５５０、および第１の側１００２の反対側の、プレートの第２の側１００４にある第２のリザーバ５５１と流体連通している。例示的なプレート１０００の例示的なバルク材料５５４は、プレートの第１の側にある第１の表面５５７と、プレートの第２の側にある第２の表面５５８とを有する。

図５では、光子が、チャネル５５９またはチャネル５６０などの指定されたチャネルを介して、図示した装置を通過することができる。この例示的実施形態では、各チャネルは、Ｙ軸に沿って見たときに円形の断面を有する。第１の開口部５５２の第１の直径５６１は、第２の開口部５５３の第２の直径５６２よりも大きく、それにより、先細のチャネル１０２８の両端が画定される。プレートの実施形態の例示的な厚さ寸法５６３は、チャネルのＹ方向に沿った長さに対応する。他の実施形態では、チャネルは六角形の断面を有してもよい。いくつかの実施形態では、チャネルは、第１の開口部５５２において六角形の断面を有してもよく、これが、Ｙ軸に沿った長さの線形関数として変換されて、第２の開口部５５３において円形の断面になり得る。チャネルの他の形状寸法および形状もまた、本発明の範囲内にある。

図５のフィルタプレートの例示的実施形態９００では、入口ポート１００６は、出口ポート１００８の直径５６２よりも大きい直径５６１を有する。したがって、入口ポートに対する第１の開口部５５２の断面領域は、第２の開口部５５３における出口ポートの断面領域よりも大きい。第１の開口部５５２と第２の開口部５５３との間のチャネルの適切な形状寸法と組み合わせることにより、光子の集束、または単位体積あたりの光子数の増加、または光子密度の増加をもたらすことができる。第１の開口部５５２において入口ポート１００６に入った第１のリザーバ５５０からの光子の一部は、第２の開口部５５３において出口ポート１００９を通って第２のリザーバ５５１へと出る前に集束される。

第１の表面５５７は、チャネルとバルク材料５５４との間の境界を形成する。この境界は、図５の断面図において曲線を形成する。この実施形態では、この曲線は、第１の開口部５５２などの第１の開口部の第１のエッジ５５５と、開口部５５３などの第２の開口部の第２のエッジ５５６との間で直線である。他の実施形態では、この曲線は直線である必要はなく、弓形の形状であり得る。

チャネル５６０などのチャネル、ならびにレンズを支持するために使用される任意の関連するサポート材料、例えばバルク材料５５４、で構成される装置のセットは「装置ユニット」と称される。装置ユニットとの関連において、光子の可能な軌跡のセットは「チャネルシステム」と称される。図５では、バルク材料５５４を取り囲む媒体は真空である。他の実施形態では、媒体は低圧ガスを含むことができる。対象オブジェクトが電子である実施形態などの他の実施形態では、バルク材料５５４を取り囲む媒体は導体、例えば金属、例えば銅とすることができる。

相互作用全体にわたって、図５に示すプレートの例示的実施形態は、第１のリザーバに由来する光子が、第２のリザーバへの界面に到達する前に集束させるように構成されている。このような界面は、チャネル５６０と第２のリザーバ５５１との間の界面を表す平面によって形成される。このようにして、第２の開口部５５３を通過する光子が第１のリザーバ５５０に由来する確率は、５０％のベースライン確率を越えて増加する。その結果、第１のリザーバ５５０から第２のリザーバ５５１への光子の正味の透過が存在する。いったんデフォルトの境界条件が削除され、第１および第２のリザーバのサイズが有限であり、そうでない場合には互いに、および他のいかなるリザーバとも隔離されていると、第１のリザーバ内の光子の濃度は時間と共に減少する可能性があり、第２のリザーバ内の光子の濃度はそれに応じて増加する可能性がある。したがって、本発明の実施形態は、ポンピングを伴う用途についても考えることができる。図５に示す装置のいくつかのステージを直列に接続することにより、第１のリザーバ５５０において光子または他のオブジェクトの所望の定常状態の濃度を達成することができる。

図５に示すプレートの例示的実施形態９００では、光子の集束は、第１の表面５５７などの第１の反射面による、光子の、プレート１０００の出口側１００４に向かう反射によって達成される。第１のリザーバ５５０に由来する光子の一部が、相互作用が完了すると、第１のリザーバ５５０に戻り得る。同様に、第２のリザーバ５５１において生じる光子の一部が、相互作用が完了すると、第１のリザーバ５５０において見られ得る。しかし平均すると、相互作用の全体にわたって第１のリザーバ５５０から第２のリザーバ５５１へと移動するオブジェクトの拡散または光子の透過は、デフォルトの境界条件では、別の例示的実施形態について前述したように、入口ポート領域と出口ポート領域との比率に応じて、反対方向に移動するオブジェクトの拡散または光子の透過を超える。

前述の例の多くは、対象オブジェクトが光子であるという文脈で説明されてきたが、実施形態は、動的境界条件では、フィルタプレートの実施形態９００の入口側１００２にある第１のリザーバからプレート１０００の出口側１００４にある第２のリザーバへの他のオブジェクトの正味の変位を引き起こすように構成されてもよい。

図４に示すチャネルシステムなどのチャネルシステムの、チャネル２１５などのチャネルの平均長は、フィルタリング装置の「特性長」と称される場合がある。チャネルの長さは、チャネルの開口部の間における、チャネルの重心を表す線の長さである。ここで開口部は、チャネルとリザーバとの間の界面を指す。重心上の単一の点がその点の位置におけるチャネルの断面領域の中心を表す。ここで断面領域は、チャネルの内壁面に垂直な平面で測定される。例えば、チャネル２１５内の点の断面領域は、ＸＺ平面に平行な平面に沿って測定される。図示したチャネルシステムのチャネルは一般に円形の断面を有するので、チャネルの重心は、各チャネルの長さに沿った、各チャネルの断面を表す円の中心を表す線である。

例えば、チャネル２１５の長さは、チャネル２１５の第１の開口部２０８と第２の開口部２１９との間の分離距離であり、第１の開口部２０８はチャネル２１５と第１のリザーバ２０１との間の界面を表し、第２の開口部２１９はチャネル２１５と第２のリザーバ２０２との間の界面を表す。チャネル２１９は直線状であり、中心軸の周りに対称なので、チャネル２１９の重心を表す線は直線状でありＹ軸に平行である。したがって、この特定の実施形態におけるチャネル２１５の長さはまた、第１の開口部２０８と第２の開口部２１９との間の最短距離に等しい。第１の表面２０３および第２の表面２０４は平面でありＸＺ平面に平行なので、この特定の実施形態におけるチャネル２１５の長さはまた、第１の表面２０３と第２の表面２０４との間の最短距離に等しい。第１の表面２０３と第２の表面２０４との間の距離は、前述のように、図示した装置の高さと称される場合がある。

別の例では、チャネル２１２の長さは、チャネル２１２の重心を表す線の長さである。チャネル２１２はチャネル２１５と合流するので、チャネル２１２の重心はチャネル２１５の重心と合流する。したがって、チャネル２１２の長さは、チャネル２１２の第１の開口部とチャネル２１２の第２の開口部、すなわち第２の開口部２１９との間のチャネルの重心の長さである。チャネル２１５の第１の開口部２０８によって例示されるように、チャネル２１２の第１の開口部は、チャネル２１２と第１のリザーバ２０１との間の界面である。同様に、チャネル２１７の長さは、チャネル２１７と第１のリザーバ２０１との間の界面に位置する、チャネル２１７の第１の開口部と、チャネル２１５と合流したチャネル２１７と第２のリザーバ２０２との間の界面に位置する、チャネル２１７の第２の開口部２１９、との間のチャネルの重心の長さである。

チャネル２１５、２１２、２１３、２１４および任意の他のチャネルを備えるチャネルシステムの特性長は、チャネルシステムに関連する全てのチャネルの平均の長さである。指定されたチャネルの特性長は、前の段落に記載されているように、個々の指定されたチャネルの長さである。

プレートのいくつかの例示的実施形態９００では、チャネルシステム内で単一のチャネルに収束する少なくとも２つのチャネルのうちの各々の特性長は、隣接するリザーバ内の対象オブジェクトの最小平均自由行程よりも数桁大きい数よりも小さい。いくつかのプレートの実施形態９００によれば、チャネルシステム内で単一のチャネルに収束する少なくとも２つのチャネルの特性長は、隣接するリザーバ内の対象オブジェクトの最小平均自由行程よりも２桁大きい数よりも小さい。換言すれば、隣接するリザーバ内の対象オブジェクトの最小平均自由行程と、前述の各チャネルの特性長との比率は０．０１よりも大きい。

指定されたリザーバ内の対象オブジェクトの平均自由行程とチャネルの特性長との比率は、「相対長」または「ＲＬ」と表される。特に明記しない限り、ＲＬの計算において平均自由行程を提供する媒体またはリザーバは、最小平均自由行程を有する媒体またはリザーバである。相対長は、周囲の媒体のプロパティを基準にしたチャネルのサイズを表す。媒体を流体として説明することができる実施形態では、この比率はクヌーセン数と称される場合がある。

本発明のいくつかの実施形態によれば、チャネルシステムにおける少なくとも２つのチャネルが単一のチャネルに収束する場合、そのチャネルのそれぞれのＲＬは、１よりも数桁小さい大きさよりも大きい可能性がある。例えば、いくつかの実施形態について、前述の各チャネルのＲＬは０．００１であり得る。ＲＬが数桁小さい場合、濾過システムの濾過効果はゼロではないが、無視できるほど小さい場合がある。本発明の他の例示的実施形態では、ＲＬは０．０１であり得る。ＲＬはまた、例えば０．２であり得る。別の例では、ＲＬは１．５であり得る。別の例では、ＲＬは３であり得る。ＲＬはまた、３より大きい場合がある。一般に、ＲＬが大きいほど、濾過システムのパフォーマンスは向上するが、製造の複雑さや困難さが増加する。言及したように、隣接するリザーバ内の対象オブジェクトの平均自由行程と比較した特性長の増加は、対象オブジェクトがフィルタリング装置を通って移動する際に対象オブジェクトが散乱する確率を増加させ得る。これは、フィルタリング装置の集束効果を低下させ、フィルタリング装置の性能を低下させ得る。

例えば、標準温度および標準圧力における窒素ガスの平均自由行程はおよそ６０ナノメートルである。対象オブジェクトが窒素原子であり、第１および第２のリザーバが標準温度および標準圧力にある、フィルタプレートの実施形態９００の用途では、特性長は、例えば、約６０ナノメートルであり得る。ここで、本明細書で使用される場合、「約」および「およそ」は、述べられた数値のプラスまたはマイナス３０％以内の値を指す。フィルタプレートの別の例示的実施形態では、特性長は約６マイクロメートルである。フィルタプレートの更に他の実施形態９００に関連する特性長は、例えば約３０ナノメートルであってもよい。図４に示す例と同様のフィルタプレートの実施形態９００については、チャネル２１５の特性長は、例えば、約７０ナノメートルであってもよい。図５に示す例と同様のフィルタプレートの実施形態については、チャネルの長さ５６３は、約３５ナノメートルであり得る。図３に示す例と同様のフィルタプレートの実施形態については、特性長は、第１のリフレクタ１０２の第１の反射面１０３などの、集束反射器の反射面と、第２の反射器１０５などの第２の反射器の反射面１０６などの、関連するデフォーカス反射器の反射面との間の平均距離の２倍であり得る。図３では、簡単に言えば、関連する反射面は互いに面していると考えることができる。この例では、この特性長は、例えば５５ナノメートルであり得る。

別の例では、銅の伝導帯における電子の平均自由行程は、およそ４０ナノメートルであると考えることができる。対象オブジェクトが電子であるフィルタプレートの実施形態では、バルク材料２００、またはバルク材料１０２、またはバルク材料５５４などのバルク材料は、電気絶縁体を含み得る。バルク材料は、任意選択的に、電子に対してゼロよりも大きい反射率を有する材料を含み得る。フィルタプレートのこれらおよび他の例示的実施形態では、バルク材料は、例えば、図２によって説明されるように、対象オブジェクト、すなわちこの場合は電子に対して異なる屈折率を有する材料を含み得る。対象オブジェクトが伝導帯にある電子であり、第１および第２のリザーバ内の媒体が銅である本発明の実施形態では、フィルタプレートのいくつかの実施形態に関連する特性長は、例えば約４０ナノメートルであってもよい。別の例では、そのような実施形態のフィルタリングまたは集束効果は、４０ナノメートルの特定の平均自由行程については、より短い特性長を有するフィルタプレートの実施形態と比較して減少し得るが、特性長は約４０マイクロメートルであり得る。フィルタプレートのいくつかの実施形態に関連する特性長は代替として、例えば約３０ナノメートルであってもよい。図４に示す例と同様のフィルタプレートの実施形態については、チャネル２１５の特性長は、例えば、およそ３５ナノメートルであってもよい。図５に示す例と同様のフィルタプレートの実施形態については、チャネルの長さ５６３は、例えば約２０ナノメートルであってもよい。図２に示す例と同様のフィルタプレートの実施形態については、特性長は、第１のレンズ１などの収束レンズの中心と、第２のレンズ２などの関連する発散レンズの中心との間の分離距離であり得る。図２では、関連する集束レンズと発散レンズの中心は、関連していない集束レンズと発散レンズの中心の分離距離と比較して、最短距離だけ分離されている。図２の例と同様のフィルタプレートの実施形態９００では、特性長は、例えば、約４５ナノメートルであり得る。

例えば、対象オブジェクトが、光子、音子、音響波、または海洋波などの波のように振る舞う実施形態については、平均自由行程は非常に大きく、場合によっては無限に大きい場合さえある。平均自由行程の値が非常に大きい場合、一部の対象オブジェクトは、第１のリザーバまたは第２のリザーバなどの媒体中で、ほとんどまたは全く散乱しない。これは、一部のタイプの波に適用される重ね合わせの原理に起因する場合がある。これらいくつかの対象オブジェクトの平均自由行程は、前述の例の平均自由行程よりも大きいので、フィルタプレートの実施形態の特性長も同様に長くなり得る。これは、フィルタプレートの実施形態の製造に関連する複雑さを大幅に低減させ得る。濾過装置の特性長に対する平均自由行程の十分に大きな比率が、好ましくは維持されるべきである。

媒体は、第１のリザーバ、第２のリザーバ、および／または図４の例示的なチャネル２１５などのチャネルの内部に位置していてもよい。光子と相互作用するように構成されたフィルタ装置の特性長は、例えば、約１０メートルであってもよい。そのようなフィルタプレートの例示的実施形態の単向性の集束部分は、例えば、光学望遠鏡または太陽集光器と同等の形態で機能するが、その機能は、従来の望遠鏡または太陽集光器よりもはるかに小さいスケールでプレート実施形態の構造体によって実行され得る。先に説明したように、フィルタ装置内のバルク材料を取り囲み包囲する媒体中の光子の平均自由行程の計算は、好ましくは、光子−オブジェクト散乱、すなわち光子と、媒体中の他のオブジェクト、例えば空気分子との衝突を考慮する。言及したように、この影響は、対象オブジェクト、例えば光子を、他の対象オブジェクト、例えば空気分子から集束させることと関係する、フィルタ装置の部分を、排気することによって軽減することができ、そうしない場合には、他の対象オブジェクトは、対象オブジェクトの平均自由行程と干渉し平均自由行程を低減させることになる。例えば、フィルタ装置の集束部分、例えば、図４の例示的なチャネルシステム、図５の例示的なチャネル５５９、または図３の例における、第１の反射面１０６と第２の反射面１０６などの第１の反射面と第２の反射面との間の区域は真空内に配置されてもよい。

図５のチャネル５６０または図４のチャネル２１５などのチャネルの幅は、チャネルの長さと同様の考慮事項に従う。チャネルの幅は、前述したように、チャネルの局所的な重心に垂直な平面内で測定される。より広いチャネルにより、対象オブジェクトが、チャネルの長さよりも長い、すなわちチャネルの重心の長さよりも長いチャネルを通る経路に従うことが可能になる。これにより、対象オブジェクトが、チャネル内において、または対象オブジェクトの軌跡を他の対象オブジェクトの軌跡に対して集束させるプロセスにおいて、他のオブジェクトに対して衝突する確率が増加し得る。対象オブジェクトが集束プロセス全体にわたって散乱イベントを受ける確率が増加すると、集束プロセスの効率が低下し、フィルタ装置の性能に悪影響を与え得る。フィルタ装置の性能は、チャネルの幅、チャネルの重心の長さ、チャネルの幾何学的形状寸法、および他のパラメータ、例えば、取り囲んでいる媒体中の対象オブジェクトの平均自由行程に関連するパラメータ、の関数である。

プレートのいくつかの例示的実施形態では、図４のチャネル２１５などのチャネルの長さに沿ったチャネルの幅の最小値は、対象オブジェクトがチャネルを通過することができるために必要とされるほぼ最小幅であってもよい。プレートの代替的実施形態では、チャネルの長さに沿った、チャネルの幅の最小値は、対象オブジェクトの直径の約１０倍であってもよい。他の実施形態では、チャネルの長さに沿った、チャネルの幅の最小値は、隣接するリザーバ内の対象オブジェクトの平均自由行程にほぼ等しくてもよい。フィルタプレートのいくつかの実施形態では、チャネルの長さに沿った、チャネルの幅の値は、対応するチャネルに隣接するリザーバ内にある対象オブジェクトの最小平均自由行程よりも数桁大きい長さよりも小さくてもよい。ここで平均自由行程は、チャネルとリザーバとの界面にて測定される。例えば、最小平均自由行程と、チャネルの幅との比率の値は、約０．００１であってもよい。別の例では、最小平均自由行程と、チャネルの幅との比率は約０．０１であってもよい。更に別の例では、最小平均自由行程と、チャネルの幅との比率は約３であってもよい。代替として、最小平均自由行程の、チャネルの幅に対する比率は、約１０であってもよい。

図５の例では、チャネル５５９の幅は、第１のリザーバ５５０における直径５６１である。プレートのいくつかの実施形態では、直径５６１は、チャネル５５９の近傍にある第１のリザーバ５５０内の対象オブジェクトの平均自由行程の約１０分の１であってもよい。別の例では、直径５６１は、第１のリザーバ５５０内の対象オブジェクトの平均自由行程の値の約２倍であってもよい。図５の例では、チャネル５５９の幅は、第２のリザーバ５５１における直径５６２に対応する。プレートのいくつかの実施形態では、直径５６２の値は、対象オブジェクトが例示的なチャネル５５９を通過するのに必要な最小サイズの約２倍であり得る。代替として、直径５６２は、対象オブジェクトがチャネル５５９を通過するのに必要な最小サイズの約１０倍であり得る。直径５６２は、第２のリザーバ５５１内の対象オブジェクトの平均自由行程の約１０分の１であってもよい。代替として、直径５６２は、チャネル５５９の近傍にある第２のリザーバ５５１内の対象オブジェクトの平均自由行程の約１００倍であってもよい。

他のプレートの例示的実施形態におけるチャネルの寸法は、図５のプレートの例示的実施形態について説明したパラメータ値に従ってもよい。図４のチャネルシステムにおける各チャネルの幅は、個々のチャネルの長さに沿って一定であってもよく、または代替として、選択されたチャネルの長さに沿って変化してもよい。図２および図３の例では、反射面１０３などの反射面の、またはレンズ１などの屈折体の、外径、外寸、またはチャネル間距離は、いくつかの実装形態では、上述の反射面または屈折体がＸＺ平面上に投射された場合に、チャネルの幅と見なされてもよい。例えば、図２の例示的なレンズ１のＸ方向に沿った直径（または同等の横方向の寸法）は、周囲の媒体における対象オブジェクトの平均自由行程とほぼ等しくてもよい。別の例では、レンズ１のサイズは、平均自由行程の値の約半分であってもよい。別の例では、レンズ１のサイズは、平均自由行程の値の約１０倍であってもよい。同様に、反射面１０３のＸ方向に沿った範囲は、例えば、図３の第１のリザーバ１００内にある対象オブジェクトの平均自由行程にほぼ等しくてもよい。

濾過装置が製造される方法は、濾過装置の規模または特性長に依存する。例えば、媒体中の対象オブジェクトの平均自由行程が約１ミリメートルである適用例を考える。そのような用途のためのフィルタシステムの例示的実施形態の特性長は、約１センチメートルであってもよい。このスケールの構造は、従来の機械的製造技術、例えば、コンピュータ数値制御（ＣＮＣ）ミル、選択的レーザー焼結法（ＳＬＳ）、フォトリソグラフィとエッチング、付加的印刷プロセス、を使用して容易に製造および量産できる。

特性長がナノメートル程度であるフィルタ装置の実施形態は、半導体製造用の設備および手順で製造され得る。例えば、グレースケールの電子ビームまたはイオンビームリソグラフィを使用して、ナノメートルスケールにおける複雑な形状寸法の繰り返しパターンの大きなアレイを有するモールドを製造できる。これらモールドを用いて、ナノインプリントリソグラフィを使用して基板上に所望の表面特徴をインプリントすることができる。この方法を使用して、例えば、図３および図５の例に示すようなフィルタプレートの実施形態を製造することができる。別の例では、フィルタプレートの実施形態を、電子ビーム誘起蒸着法などのナノメートルスケールの付加製造技術を使用して製造することができる。これらおよび他の製造技術は、前述の複雑な構造の大きなアレイを製造するために、干渉効果の恩恵を受けることができる。これらの方法は、例えば、干渉リソグラフィの分野で知られている。深掘り反応性イオンエッチングなどの除去製造（Ｓｕｂｔｒａｃｔｉｖｅ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ）技術を用いて、例えば、図４に示されるタイプの濾過装置の収束または発散チャネルを製造することができる。チャネル直径は、例えば、数十ナノメートルの程度であり得る。

図６および図７は、光学要素１０２２およびプレート層１０２０の複数の層を備えるフィルタプレートの実施形態９００の代替例の例を示す。図６では、図２に示すフィルタリング装置のいくつかの層が互いに対して直列に、すなわちＹ方向に、またはフィルタリング装置の平面に垂直な方向に配置される。直列に配置された隣接するフィルタリング層の個々のチャネル、図３のチャネル１０７は、集束効果を最大化させるために同心円状に構成されている。図６では、オブジェクト軌跡５４および５５によって示すように、集束効果は、いくつかの層を直列に配置することによって強化され得る。軌跡５４と５５との間の分離距離は、第１のリザーバ２９から第２のリザーバ３０への経路にある各層内で低減される。軌跡５７または５８などの軌跡のデフォーカスおよび反射は、フィルタリング装置のいくつかの層を必要とし得ることに留意されたい。

図７では、図３に示すフィルタリング装置のいくつかの層が直列に配置されている。図７では、オブジェクト軌跡１５５および１５４によって示すように、同様の効果が達成される。前と同様に、軌跡１５６または１５７などの軌跡の焦点ずらしおよび反射は、フィルタリング装置のいくつかの層を必要とし得る。

図８および図９は、チャネルシステムに関連する入口ポート１００６がどのように配置され得るか、および複数のチャネルシステムが例示的なフィルタプレートの入口側にどのように配置され得るかの例を示す。図８では、チャネル２４８は、図４に示すチャネルシステムにおけるチャネル２１５などのチャネルシステムの中央チャネルであると考え得る。境界２４７によって取り囲まれたチャネルなどの、チャネル２４８の周りに正方形のパターンで配置されたチャネル、例えばチャネル２４９は、中央チャネル２４８の分岐または支流であると見なすことができる。チャネルシステムは互いに隣接してアレイ状に配置されて、所望のサイズのフィルタリング装置またはフィルタリングプレートを形成し得る。プレートのサイズは、例えば平方センチメートルまたは平方メートルのオーダーであり得る。

図９では、チャネル２５２は、図４に示すチャネルシステムにおけるチャネル２１５などのチャネルシステムの中央チャネルであると考え得る。チャネルは、形状が環状であり、中央チャネル２５６の周りのチャネル２５７など、チャネル２５２の周りに同心パターンで配置されている。チャネル２５３などの各環状チャネルは、チャネル２５２などの中央チャネルの分岐または支流であると見なし得る。この場合、装置ユニットまたはチャネルシステムを表す境界面２５５は円形の形状である。前と同様に、チャネルシステムは互いに隣接してアレイ状に配置されて、所望のサイズのフィルタリング装置またはフィルタリングプレートを形成し得る。

図１０の例では、先細のチャネルの入口ポートおよび出口ポートをフィルタプレートの入口側から見ている。中央孔７００などの中央孔は、第２の開口部５５３などの図５の第２の開口部に対応する。そのような開口部のエッジ５５６などの内側エッジが円７０３などの円の形状に見える。第１の開口部のエッジ５５５などの内側エッジも円７０４などの円の形状に見える。フィルタリング装置の平坦な外側表面７０２、ならびに第１の表面５５７などのチャネルの内部表面７０１も見える。

図１１は、六角形の外周形状を有する入口ポート、および円形の外周形状を有する出口ポートの例を示す。中央孔７０５などの中央孔は、第２の開口部５５３などの図５の第２の開口部に対応する。そのような第２の開口部のエッジ５５６などの内側エッジが円７０９などの円の形状に見える。第１の開口部のエッジ５５５などの内側エッジも、六角形７０８などの六角形の形状に見える。第１の表面５５７などのチャネルの内部表面７０６も見える。

図１２は、面取り長方形の入口ポートおよび出口ポートの例を示す。中央入口７１０などの中央入口は、第２の開口部５５３などの図５の第２の開口部に対応する。そのような第２の開口部のエッジ５５６などの内側エッジが見える７１４。第１の開口部のエッジ５５５などの内側エッジも見える７１３。フィルタリング装置の平坦な外側表面７１２、ならびに第１の表面５５７などのチャネルの内部表面７１１も見える。

図１３は、本発明の一実施形態の断面図と、前述の実施形態と対象オブジェクトとの相互作用の概略図である。

図１３に示す実施形態は、特に明記しない限り、または図示しない限り、図５に示す実施形態と同一に構成されている。内部表面２０１２などのチャネルの内部表面と、外側表面２０１３などの第２の外側表面との間に形成される角度は、この断面図では７５度である一方で、図５に示す実施形態では約６０度である。チャネルの特性長および特性幅に対する制限、ならびにバルク材料２０２８の構成は、図５に示す実施形態と比較して変化しない。図１３は、使用事例のサブセットに対して、対象オブジェクトと図５に示すタイプの実施形態との相互作用を、より詳細に説明するものと考えることができる。

図１３に示すシナリオでは、「初期速度」の分布、すなわちフィルタリング装置９００と相互作用する前の対象オブジェクトの速度の分布は、可能な角度の範囲にわたって不均一に分散されている。初期速度の成分は、正または負のＸ方向よりも、正または負のＹ方向に沿って大きい。換言すれば、フィルタリング装置９００と相互作用する対象オブジェクトは、正または負のＸ方向よりも、正または負のＹ方向からフィルタリング装置に接近する可能性が高い。全ての可能な角度、すなわち３６０度にわたる初期速度の統計的分布は、不均一であるか、または角度の非定値関数である。この統計的分布のピークは、角度がＸＺ平面に対して測定された場合に＋９０度と−９０度に存在する。

このようなシナリオは、本発明の実施形態のいくつかの用途で生じる。例えば、フィルタリング装置を使用して、ある有限サイズのリザーバから別の有限サイズのリザーバへと光子を伝達することができる。これら有限サイズのリザーバ、すなわち光子源がフィルタリング装置から十分に離れて位置し、フィルタリング装置の立体角が十分に小さく、フィルタリング装置が、光子源を接続する直線に垂直に配置されている場合、第１および第２のリザーバの両方からの、フィルタリング装置と相互作用する光子は、フィルタリング装置に対して実質的に垂直である。

別の例では、負のＹ方向に沿って向けられた、対象オブジェクトの正味フローまたはバルクフローが存在し得る。バルクフローの速度がバルク内のＯＩの平均相対速度と比較して十分に大きい場合、フィルタリング装置と相互作用する個々のＯＩの初期速度の方向も、可能な全ての角度の関数として不均一に分布する。例えば、フィルタリング装置９００に対して、マッハ０．５の速度、すなわち音速の半分で負のＹ方向に移動する理想気体を考える。この場合、ＯＩ、つまり個々のガス分子の初期速度の分布方向は不均一であり、負のＹ方向、つまり前述の例では−９０度の方向に基づいている。これはマッハ１、または超音速、例えばマッハ２において更に顕著である。なお、初期速度の方向の分布の形状は、第１のリザーバ２００１と第２のリザーバ２００２とで同一である必要はないことに留意されたい。例えば、第１のリザーバにおける初期速度の方向の分布、すなわち、０度から−９０度を経由して−１８０度までの範囲における分布は、実質的に−９０度の方向に偏っている可能性がある。このような偏りの任意の例では、第１のリザーバにおける全ての初期速度の方向の５０％が、−９０度の方向の＋１０度と−１０度、すなわち第１のリザーバにおける全ての可能な初期方向の約１１％の範囲内にあり得る。この偏りは第２のリザーバで同じである必要はなく、別の任意の例では、第２のリザーバにおける全ての初期速度の方向の４０％が、＋１０度未満または＋１７０度を超える角度の範囲内にあり得る。本発明のいくつかの実施形態では、本発明の実施形態の形状寸法を、両方のリザーバにおける初期速度の方向の分布に適合させ得る。

別の例では、フィルタリング装置に隣接するリザーバ中の共鳴効果により、フィルタリング装置に波が＋９０度および−９０度の方向で入射する確率が高くなる可能性がある。

別の例では、初期方向の分布を、他の反射器によって＋９０および−９０度の方向に偏るように人工的に変更することができる。この事前集束は、フィルタリング装置の性能を向上させ得る。なぜなら、単一の角度の形状寸法を最適化することが、一度に複数の角度を最適化するよりも容易だからである。互いに向かって熱放射を放出する２つの有限リザーバの前述の例では、有限リザーバは、有限リザーバを取り囲む放物面鏡の焦点に位置し得る。例えば、有限リザーバは、円筒形または球形の形状であり得る。断面で見ると、有限リザーバは熱放射、すなわち光子を円形パターンで放出する。放物面鏡または同様に構成された反射器は、この放射状放射パターンを一方向放射パターンに変換できる。ここで第１のリザーバの方向は、第２のリザーバの方向と平行で反対方向に向けられている。例えば図２、図３、図６、または図８に示すフィルタリング装置などの、フィルタリング装置またはフィルタリングプレートは、Ｙ軸、または平面フィルタリング装置の法線が１次放射方向に平行であるように、これら方向に垂直に位置することができる。このようにして、第２のフィルタリング装置によって放出された光子の一部分のみが第１のフィルタリング装置に送られ、一方で、第１のフィルタリング装置によって放出された光子のより多くの部分が第２のフィルタリング装置に送られる。したがって、熱は第１のリザーバから第２のリザーバへと伝達され得る。集束効果により、第１のリザーバは第２のリザーバよりも冷たい可能性がある。換言すれば、相対的に言えば、冷たいオブジェクトから暖かいオブジェクトへと熱を伝達することができる。この概念を用いて、例えば、熱エネルギーを直接、機械仕事に変換する熱機関を駆動することができる。このように説明された装置は、熱伝達装置と考えることができ、フィルタリング装置は、温度増幅器と考えることができる。第１のリザーバと第２のリザーバとの間にフィルタリング装置が存在することに起因して、第１のリザーバによって感知される、第２のリザーバの吸収率は、第２のリザーバの放射率よりも大きい。第１と第２のリザーバが同一になるように構成されているシナリオでは、静的境界条件では、第２のリザーバの温度は第１のリザーバの温度よりも高い。

図１３では、ＯＩの初期方向は、ＸＺ平面に対して測定した場合、＋９０度および−９０度の約５度以内にある。第１のリザーバ２００１からチャネル２００４の中に、そして第２のリザーバ２００２の中へと負のＹ方向に拡散するＯＩが、粒子２０１７および軌跡２０１８によって概略的に表されている。第２のリザーバ２００２から正のＹ方向に拡散し、第２の外側表面２０１３によって反射されるＯＩが、粒子２０１９および軌跡２０２０によって概略的に表されている。第１のリザーバ２００１からのＯＩの内向き流束は、オブジェクト２０２４の流束の大きさによって示され、これは、単位時間あたりおよび単位領域あたりのオブジェクトの数であり、その大きさは、基準線２０２１を基準にして示され、その方向は両向き矢印（ｅｎｃｌｏｓｅｄ ａｒｒｏｗ）で示され、この場合は負のＹ方向に向けられている。示されている動的境界条件では、第２のリザーバ２００２からのＯＩの内向き流束２０２５は大きさが同一であり、またＸＺ方向にも均一に分布しているが、この断面図ではＸ方向に沿った内向き流束２０２５の変化のみが示されている。内向き流束２０２５の大きさは、基準線２０２２を基準にして示され、その方向は両向き矢印で示され、この場合は正のＹ方向に向けられている。第２のリザーバ２００２へのＯＩの外向き流束は、外向き流束２０２７によって示され、これもまた基準線２０２２を基準にして測定され、第１のリザーバ２００１から第２のリザーバ２００２へと送られるＯＩの流束、ならびに反射されて第２のリザーバ２００２の中に戻されるＯＩの流束の両方を含む。第１のリザーバ２００１へのＯＩの外向き流束は、外向き流束２０２６によって示され、これも基準線２０２１を基準にして測定され、第２のリザーバ２００２から第１のリザーバ２００１へと送られるＯＩの流束、ならびに反射されて第１のリザーバ２００１の中に戻されるＯＩの流束の両方を含む。フィルタリング装置の形状寸法、すなわち第２の外側表面２０１３による大部分の内向き流束２０２５の反射および大部分の内向き流束２０２４の透過、ならびにフィルタリング装置のサイズ、すなわちＯＩの過剰な散乱事象の回避、に起因して、外向き流束２０２７は外向き流束２０２６よりも大きく、それにより、示される動的境界条件では、第１のリザーバ２００１から第２のリザーバ２００２へのＯＩの正味の拡散またはバルクフローがもたらされる。第１のキャプチャ領域、すなわち第１の開口部２００６の領域は、第２のキャプチャ領域２００７よりも大きく、第１の透過率は、１よりわずかに小さいか、またはほぼ１に等しい一方で、第２の透過率は１に等しい。したがって、第１の透過率と第１のキャプチャ領域の積と、第２の透過率と第２のキャプチャ領域の積との比率は１よりも大きい。

図１４は、図１３に示す実施形態の断面図と、前述の実施形態と対象オブジェクトとの相互作用の概略図であり、図１３に示すシナリオについては、対象オブジェクトのプロパティは、実施形態に隣接する媒体中の対象オブジェクトのプロパティとは異なる。図１４に示す実施形態９００は、図１３に示す実施形態と同一であると考えることができる。ここで図１４の実施形態は、ＸＺ平面内の軸の周りに１８０度回転されている。換言すれば、図１３の第１のリザーバ２００１は、図１４では第２のリザーバ２０２７として指定されている。この表記の変更は、便宜および例示の目的で、および説明の明確化のために行われている。フィルタリング装置９００の動作原理および構造は変更されていない。媒体のプロパティまたはフィルタリング装置９００の動作モードが、図１３および図１４に示すシナリオ間の唯一の違いである。

図１４では、初期方向の分布、すなわち、フィルタリング装置９００と相互作用するＯＩの初期速度の方向の分布は、図１３に示すシナリオにおけるよりも、全ての角度範囲、すなわち３６０度にわたって、より均一に分布している。図１４に示す単純化されたシナリオでは、第１のリザーバ２０３６からチャネルに入るＯＩの初期方向の分布は均一である。これは、第１のリザーバからの均一に分布した入射流束２０５９によって示され、分布は、入射流束２０５９のプロットの輪郭内の矢印で示す可能な方向の範囲にわたって均一である。入射流束２０５９は、基準線２０５６に対して測定される。動的境界条件については、第１のリザーバ２０３６および第２のリザーバ２０３７のプロパティは、瞬時に同一であると想定される。それに応じて、基準線２０５７に対して一定の大きさの流束２０６０によって示すように、入射流束の方向の関数としての、第２のリザーバ２０３７からのＯＩの入射流束２０６０の分布も、全ての方向にわたって均一である。

このような入射流束の分布は、本発明の実施形態の多種多様な用途で生じる。例えば、典型的な静止媒体では、すなわちＯＩの平均速度がゼロの媒体、すなわちバルクフローがゼロの媒体では、ＯＩの速度分布は全ての角度にわたって均一に分布している。これは、ガス中の原子もしくは分子、または導体の伝導帯中の電子に適用される。したがって、そのような静止媒体中に置かれたフィルタリング装置は、初期方向の均一な分布の影響を受けることになる。すなわち、フィルタリング装置のチャネルまたは外側表面と相互作用し特定の方向の初期速度を有するＯＩの確率は、全ての方向に対してほぼ等しい。

図１４に示す単純化された実施形態については、第１のリザーバ２０３６からチャネル２０３９などのチャネルに入り、第２のリザーバへと送られるＯＩの全て。単純化のために、フィルタリング装置を介したＯＩの動き全体にわたってランダム化散乱イベントが存在しないと想定していることに留意されたい。他の実施形態では、動的境界条件における正味の拡散が、または静的境界条件における正味の濃度差、圧力差または密度差が依然として存在し得る場合は、ＯＩ−ＯＩ衝突などの散乱事象が、または内部表面２０４７などの、チャネルの内部表面からの拡散反射が存在し得る。ＯＩがチャネル２０３９を通って第１のリザーバ２０３６から第２のリザーバ２０３７へと拡散する際に、ＯＩがチャネルの内壁２０４７と衝突する可能性がある。ＸＺ平面に対する壁の角度に起因して、Ｙ方向に沿ったＯＩの運動方向の成分は増加する。この効果を、ＯＩ２０５２の軌跡２０５３などの、ＯＩの例示的軌跡の観点で図１４に示す。図示するように、負のＹ方向へのＯＩ２０５２の運動成分または速度成分は、内部表面２０４７との衝突ごとに大きさが増加する。その結果、流束の大きさ２０５９によって示す、方向の関数として初期的に均一な、第１のリザーバ２０３６における速度の分布は、ＯＩが第２のリザーバ２０３７に到着した時にはもはや均一ではない。初期的には半球状で均一な方向分布が集束されて、集中されたアウトフロー速度のビーム２０６４になっている。チャネル２０３９の内部表面２０４７の高い第１の透過率および幾何学的プロパティにより、内向き流束２０５９の全体、すなわち全ての角度にわたって積分された内向き流束２０５９は、角度の縮小されたセット、すなわち集中されたビーム２０６４に集束されている。

逆に、前述のビーム２０６４の制限された範囲内にある初期角度を有する、第２のリザーバ２０３７からチャネル２０３９の中への内向き流束２０６０はいずれも、内向き流束の可能な角度の全範囲にわたって広がり、その結果、同じ基準線２０５６を基準にして測定して、外向き流束の大きさ２０６１は低減される。前述のビーム２０６４の制限された範囲の外側にある初期角度を有する、第２のリザーバからチャネル２０３９の中への内向き流束２０６０はいずれも、ビーム２０６４の外側にある、外向き流束２０６２の部分２０６３によって示されるように、反射されて第２のリザーバ２０３７の中に戻される。外向き流束２０６２もまた、基準線２０５７を基準にして測定される。第２のリザーバ２０３７からのＯＩが反射されて第２のリザーバ２０３７に戻されるシナリオは、ＯＩ２０５４の軌跡２０５５によって例示されている。

その結果、第１の透過率は第２の透過率よりも大きい。いくつかの実施形態では、第１のキャプチャ領域が第２のキャプチャ領域よりも小さいにもかかわらず、第１の透過率と第２の透過率の比率は十分に大きいので、第１の透過率と、第１のキャプチャ領域、すなわちＸＺ平面内の第１の開口部２０４１の領域の積と、第２の透過率と、第２のキャプチャ領域、すなわち第２の開口部２０４２の領域の積との比率は、１よりも大きい。したがって、いくつかのそのような実施形態では、動的境界条件では、第１のリザーバ２０３６から第２のリザーバ２０３７へのＯＩの正味の拡散が存在する、または第１のリザーバ２０３６と比較して、第２のリザーバ２０３７において、ＯＩのより高い濃度、密度、または圧力が存在する。

図１５は、本発明の一実施形態の断面図と、前述の実施形態と対象オブジェクトとの相互作用の概略図である。

この実施形態では、ＯＩの初期方向は、図１３との関連で説明したように、Ｙ軸に実質的に平行、すなわち、ＸＺ平面に対して実質的に＋９０度および−９０度の方向に向けられている。

フィルタリング装置９００は、チャネル２０７３などのいくつかの円形のチャネルを備える。他のフィルタリング装置との関連で述べたように、例えば、チャネルはまた、Ｙ方向に沿って見たときに、断面が六角形または長方形であってもよい。各チャネルは、第１の反射面２０８３および第２の反射面２０８４を備える。バルク材料２１０９の第１の反射面２０８３は凹面であり、その結果、チャネル２０７３の凸面形状がもたらされる。第１の反射面２０８３のチャネル２０７３の断面直径は、負のＹ方向に変化率が増加しながら減少する。第２の反射面２０８４は、同様の凹状に構成されている。第２の反射面２０８４のチャネル２０７３の断面直径は、負のＹ方向において変化率が減少しながら増加する。第１の反射面２０８３と第２の反射面２０８４との間の界面は、中央チャネル開口部２０７６によって形成される。第１の反射面は、第１の開口部２０７５を介して第１のリザーバ２０７０からチャネル２０７３の中へと移動するＯＩを、中央開口部２０７６を介して、第２の反射面上の対応する点に導くように構成されている。公称軌跡は、この例ではＹ軸に平行な軌跡である。この特定の実施形態、およびこの特定の用途、および対象オブジェクトのこれらの特定のプロパティにおいて、公称軌跡がチャネルを通過した後のこれら軌跡の方向がＹ軸に平行となるように、第２の反射面および第１の反射面は公称軌跡を反射するように構成されている。Ｘ方向およびＹ方向に沿った第２の反射面２０８４の範囲は、Ｘ方向およびＹ方向に沿った第１の反射面２０８３の範囲よりも小さく、それにより、第１のリザーバ２０７０から第２のリザーバ２０７１へと移動するＯＩの公称軌跡は集束される。換言すれば、ＸＺ平面内に均一に分布し、第１の反射面と第２の反射面の両方と相互作用する公称軌跡間の分離距離は、第１のリザーバ２０７０におけるよりも第２のリザーバ２０７１において小さい。これが、ＯＩ２０９４の軌跡２０９５およびＯＩ２０８８の軌跡２０８９によって例示される。ＯＩ２０９０の軌跡２０９１も示されている。

第２の外側表面２０８２が、チャネル２０７３の第２の開口部２０７７に入射しない第２のリザーバ２０７１からのＯＩを反射する。これが、ＯＩ２０９２の軌跡２０９３によって例示される。この断面図では、第１の外側表面２０８５が鋭いエッジを形成する。

チャネル２０７３を通って移動するＯＩに隣接する公称軌跡が、衝突の合間に第１および第２の反射面と交差しない実施形態では、バルク材料２１０９の第２の反射面２０８４は凸状であり得ることに留意されたい。

チャネルの特性長および特性幅に対する制限、ならびにバルク材料２１０９の構成、ならびに他の考慮事項は、図５に示す実施形態および本明細書で論じる他の実施形態と比較して変化しない。特性長は、Ｙ軸に沿ったチャネル２０７３の範囲、すなわち、第１の開口部２０７５と第２の開口部２０７７との間の距離であり、これは、隣接するリザーバ内のＯＩの最小平均自由行程の１０００倍未満でなければならない。チャネル２０７３の最小幅は、中央開口部２０７６の、Ｘ方向に沿った最大範囲であり、ＯＩがチャネルを通過できるようにするために、ＯＩの直径より大きくなければならない。チャネル２０７３の最大幅は、Ｘ方向に沿った、第１の開口部２０７５の最大範囲であり、チャネル２０７３を通る経路に沿った、ＯＩの過剰な散乱事象を回避するために、第１のリザーバ２０７０におけるＯＩの最小平均自由行程の１０００倍未満でなければならない。

装置ユニットは、フィルタリング装置の、チャネルを取り囲む部分であると考えることができる。この部分は境界線２１００で示されている。第１のリザーバからのＯＩの内向き流束は、この実施形態では、上述のようにＹ軸に実質的に平行であり、ＸＺ平面内に実質的に均一に分布しており、このことは、描かれた境界条件について、基準線２０９８を基準にして測定された内向き流束２１０１、および基準線２０９９を基準にして測定された内向き流束２１０２によって示される。単純化のために、流束の説明では公称軌跡を想定している。中央チャネル開口部２０７６に入射するＯＩは、第１の表面または第２の表面と衝突することなくチャネル２０７３を通過する。したがって、外向き流束２１０３および２１０６は、それぞれ外向き流束部分２１０５および２１０７によって示されるように、対応する位置における内向き流束２１０２および２１０１に等しい。外側表面２０８２による反射に起因して、対応する反射位置における外向き流束２１０６は内向き流束２１０２と等しく、かつ反対向きである。これは、図１５の区域２１０７によって示されている。第２の反射面２０８４に入射する内向き流束２１０２は、外向き流束２１０３の区域２１０４によって示されるように、第１のリザーバ２０７０へと送られ、デフォーカスされている。第１の反射面２０８３に入射する内向き流束２１０１は、外向き流束２１０６の区域２１０８によって示されるように、第２のリザーバ２０７１へと送られ、集束されている。

このシナリオでは、第１の透過率と第２の透過率は１に等しい。第１のキャプチャ領域は、第２のキャプチャ領域よりも大きい。図示した動的境界条件では、この結果、第１のリザーバ２０７０から第２のリザーバ２０７１へのＯＩの正味の拡散またはバルクフローが生じる。この正味のフローは、内向き流束２１０１と外向き流束２１０３の差を、フットプリント領域全体にわたって、またはこの場合は、第１の開口部２０７５の領域に等しい第１のキャプチャ領域全体にわたって積分したもので示される。正味のフローはまた、外向き流束２１０６と内向き流束２１０２の差を積分したものに等しい。第２のキャプチャ領域は、第２の開口部２０７７の表面領域に等しい。

図１６は、本発明の一実施形態の断面図と、前述の実施形態と対象オブジェクトとの相互作用の概略図である。

図１６に示す実施形態は、図１４に示す実施形態と同一であると見なすことができるが、図１４におけるバルク材料２０６５の内部表面２０４７の線形断面が、図１６では凹形であるという点は除く。換言すれば、表面２１２７によって示されるように、チャネル２１１９の、Ｙ方向における断面直径は、負のＹ方向において変化率が減少しながら増加する。

内部表面２１２７の凹面は、図１４との関連で論じた集束効果を増加させ、集中されたビーム２１４５の角度を減少させ得る。第２の透過率は更に低減され、第１のリザーバ２１１６から第２のリザーバ２１１７へと拡散するＯＩに対する集束、誘導、またはリダイレクト効果は、図１４に示す実施形態と比較して強化される。第１の透過率は、図１４に示す実施形態と比較してほぼ不変である。それに対応して、動的境界条件における第１のリザーバ２１１６から第２のリザーバ２１１７へのＯＩの正味の流量は、図１４に示す形状寸法と比較して増加し得る。

チャネル２１１９は、Ｙ方向に沿って見たときに円形の形状である。他の実施形態では、断面は、例えば多角形または六角形であり得る。

チャネルの特性長および特性幅に対する制限、ならびにバルク材料２１４６の構成、ならびに他の考慮事項は、図５に示す実施形態および本明細書で論じる他の実施形態と比較して変化しない。特性長は、Ｙ軸に沿ったチャネル２１１９の範囲、すなわち、第１の開口部２１２１と第２の開口部２１２２との間の距離であり、これは、隣接するリザーバ内のＯＩの最小平均自由行程の１０００倍未満でなければならない。チャネル２１１９の最小幅は、Ｘ方向に沿った、第１の開口部２１２１の最大範囲、すなわちエッジ２１２９間の最大距離であり、ＯＩがチャネルを通過できるようにするために、ＯＩの直径より大きくなければならない。チャネル２１１９の最大幅は、Ｘ方向に沿った、第２の開口部２１２２の最大範囲、すなわちエッジ２１３０間の最大距離であり、チャネル２１１９を通る経路に沿ったＯＩの過剰な散乱事象を回避するために、第２のリザーバ２１１７におけるＯＩの最小平均自由行程の１０００倍未満でなければならない。

第１のリザーバ２１１６からの内向き流束２１４０および第２のリザーバ２１１７からの内向き流束２１４１は、それぞれ基準線２１３７および２１３８を基準にして測定される。第１のリザーバ２１１６の中への外向き流束２１４２は、第２の透過率が小さいゆえに、内向き流束２１４０よりも小さい。第１の外側表面２１２６が外向き流束２１４２に寄与しているが、この寄与は示されていないことに留意されたい。この例では、第１の透過率と第２の透過率との比率に、第１のキャプチャ領域と第２のキャプチャ領域との比率を乗じたものは１より大きい。第１のリザーバ２１１６からチャネル２１１９へのＯＩの内向き流束は、多数の方向からチャネル２１１９に入り得ることに留意されたい。三次元空間では、第１のリザーバにおいてチャネル２１１９に入るＯＩの初期速度の方向の範囲は、ほぼ半球面の方向の範囲、すなわち、可能な全ての方向の半分である。第２のリザーバにおいてチャネル２１１９に入り、拡散を介して第１のリザーバ２１１６の中に送られるＯＩの初期速度の方向の範囲は、集中したビーム２１４５の角度の範囲にほぼ等しい。第１のキャプチャ領域と第２のキャプチャ領域との比率は平面の比率である一方で、角度範囲の比率、その延長で第１の透過率と第２の透過率との比率は、２つの３次元の半球面の比率である。単純化されているが、この記述は、いくつかの実施形態について、第１および第２の透過率の比率が支配的であり得るかの理由についての洞察を与え得る。

区域２１４４によって示されるような、集中したビーム２１４５の範囲内にない角度の区域について、第１のリザーバ２１４３の中への外向き流束は、この区域内の全ての内向き流束２１４１の反射に起因して、内向き流束２１４１に等しい。高流束区域２１４５の積分された外向き流束は、半球区域２１４０の積分された内向き流束に等しい。区域２１４５における外向き流束２１４３の大きさは、区域２１４４における外向き流束と比較して縮尺通りに描かれていない。これは図１４にも当てはまる。

例示的な軌跡は、例証のために提供されている。ＯＩ２１３５の例示的な軌跡２１３６は、第２のリザーバ２１１７の中に戻る反射を示す。ＯＩ２１３１の軌跡２１３２、およびＯＩ２１３３の軌跡２１３４は、第１のリザーバ２１１６から第２のリザーバ２１１７への透過を示す。

図１７は、本発明の一実施形態の断面図である。図１７は、第１のリザーバ２１５０および第２のリザーバ２１５１を示す。フィルタリング装置のバルク材料２１５４は、所望の形状寸法に配置されたいくつかの原子、例えば原子２１５６を含む。原子は、バルク材料を形成する格子の一部であり得る。

この実施形態における形状寸法は、図５に示す形状寸法と同様である。他の実施形態では、形状寸法は、例えば図１３、図１４、図１５、または図１６に示す形状寸法と同様の形態で構成および／または動作され得る。したがって、用途に応じて、図１３および図１４との関連で示したように、第１のリザーバ２１５０および第２のリザーバ２１５１の指定は、便宜上、逆にすることができる。原子は、チャネル２１５５などの円形チャネルを形成するように配置され、各チャネルは、第１の開口部２１５２などの第１の開口部、および第２の開口部２１５３などの第２の開口部を有する。平面の第２の表面２１５８および円錐形の内側表面２１５７がフィルタリング装置の外側表面を形成し、これらは対象オブジェクトを反射させるように構成され、反射係数はゼロよりも大きい。

原子は、金属原子、例えば、アルミニウム、チタン、または鉄の原子、であり得る。別の例では、原子は炭素の原子であり得る。原子はまた、例えば、対象オブジェクトが電子である実施形態の場合、ガラスまたはセラミックなどの電気絶縁体であり得る。

チャネルは、Ｙ方向に沿って見たときに円形の形状である。サイズの制約および製造方法に関する詳細は、他の図に関連して論じている。

図１８は、本発明の一実施形態の断面図である。

チャネル２２０５などのチャネルの断面直径が、チャネルの長さに沿って、変化率が増加しながら増加する、または変化率が減少しながら減少する実施形態も、本発明の範囲内である。図示した実施形態では、チャネル２２０５の直径は、負のＹ方向において変化率が減少しながら減少する。

図１８では、第１のリザーバ２２００、第２のリザーバ２２０１、およびバルク材料２２０４によって分離されたチャネル２２０５などの一連のチャネルがある。各チャネルは、Ｙ方向に沿って見たときに円形の断面を有する。他の実施形態では、断面は例えば六角形であり得る。各チャネルは、第１の開口部２２０２などの第１の開口部、および第２の開口部２２０３などの第２の開口部、および内部表面２２０６などの内部表面を有する。

プロパティが、例えば、第１のリザーバおよび第２のリザーバにおける入射角の分布を指し得る場合、周囲の媒体のプロパティに応じて、動的境界条件では、第１のリザーバ２２００から第２のリザーバ２２０１への、または第２のリザーバ２２０１から第１のリザーバ２２００へのＯＩの正味の拡散が存在し得る。

図１９は、超音波ラムジェットエンジンにおける本発明の一実施形態を適用した断面図である。

エンジン３０００を使用して、例えば空気分子などのガス分子と相互作用することによって推力を生成することができる。エンジン３０００は、第１の入口３００３、第１の収縮部３００４、第１の拡張部３００５、フィルタリング装置９００とも呼ばれるフィルタリング装置３００６、第２の収縮部３００７、第２の拡張部３００８、および出口３００９を備える。名目上の超音速飛行中、流入流管３０１８および流出流管３０１９は、それぞれ、前方エッジ３０１０および後方エッジ３０１１のスタグネーションポイントに入射する、またはスタグネーションポイントによって放出される。

エンジン３０００は、バルク材料３００１によって境界が定められ、入口３００３と出口３００９との間に位置するチャネル３００２を備える。エンジン３０００は、例えば空中で動作するように構成され得る。エンジンの外部表面３０２０および内部表面３０２１は、この単純化された実施形態では、軸対称で同心の面を描き、対称軸はＸ軸に平行であり、「中心軸」と称される。

外部表面３０２５を有する並進スパイク３０２２が、エンジン３０００を通る流量を調節し、したがって生成される推力の量を調節するように構成されている。並進スパイク３０２２は、中心軸に沿って油圧または電気アクチュエータによって移動されて、チャネル３００２の断面領域を開いた位置から閉じた位置まで連続的に変化する形で増加または低減させ得る。サポート支柱３０２３などのサポート支柱が、並進スパイクに構造的サポートを提供する。公称動作中のフローの方向は、矢印１０４０で示される。

フィルタリング装置３００６は、本発明に従って構成される。例えば、フィルタリング装置３００６は、直列に構成された、層３０３１などの、フィルタリング装置のいくつかの層を備えることができ、層内の各フィルタリング装置は、図１６に示すフィルタリング装置と同様に構成される。それに応じて、対象オブジェクトを含む媒体、例えば空気の圧力はフィルタリング装置を通ると増加し、その結果、ステーション３０４２での圧力はステーション３０１４での圧力よりも大きく、ステーション３０４３での圧力はステーション３０４２での圧力よりも大きく、ステーション３０１５での圧力はステーション３０４３での圧力よりも大きい。矢印１０４０によって示される方向にフィルタリング装置３００６を通るＯＩ、例えば空気分子の正味の拡散がある。フィルタ装置における各チャネルシステムは、拡大図３０３０で示すように、第１の開口部３０３２などの第１の開口部、およびバルク材料３０４１などのバルク材料を含む。

エンジン３０００は、他の側面では従来のラムジェットと同様に動作すると考えることができる。自由ストリームのステーション３０１２とスロート３０１３との間で超音波フローは減速され、空気は好ましくは等エントロピー的に、すなわち衝撃波を発生させることなく圧縮される。スロート３０１３とステーション３０１４との間で流れは圧縮され、更に亜音速のフロー速度まで減速される。ステーション３０１２と３０１４との間のこの圧縮は、理想的なラムジェットにおいては断熱的であるが、実際の実装形態では、スロート３０１３とステーション３０１４との間に、好ましくはスロート３０１３の近くに、安定化された弱い衝撃波があり、損失が低減され得る。ステーション３０１４における流速は、フィルタリング装置３００６に関連する抗力を低減させるために低減される。

フィルタリング装置は、ガスの圧力を増加させるように構成される。ＯＩがフィルタリング装置の下流表面と衝突することにより、ＯＩの運動量がフィルタリング装置に伝達される際に、ＯＩを含む媒体の冷却効果が存在する。

ステーション３０１５での圧力の増加に続いて、ガスは、好ましくは断熱的に、先細ノズルおよび末広ノズルを通って膨張する。この膨張では、ガスの温度は更に低下し、それにより、ステーション３０１７における温度はステーション３０１２における温度よりも低くなる一方で、両方のステーションにおける圧力は大気圧である。

他の実施形態では、フィルタリング装置内の個々の層は、図１５に示すフィルタリング装置と同様の形態で構成され得る。そのような実施形態では、前述のように、フィルタリング装置と相互作用するＯＩの初期方向が、この実施形態の好ましい＋９０方向に向かってより強くバイアスされるように、ステーション３０１４における流速をより大きくすることができる。いくつかの実施形態では、フィルタリング装置は、フィルタリング装置の層のいくつかの周期的な配置を含み得る。例えば、配置は４つの層を備え、他の３つの層の上流にある第１の層が、図１６に示すフィルタリング装置と同様の形態で構成され得る。この層は、ＯＩの初期方向をリダイレクトまたはバイアスするように構成されることができ、ＯＩは、後続の層と相互作用して、これら層の好ましい＋９０度方向に向けられる。フィルタリング装置の３つの連続する層は、図１５に示すフィルタリング装置と同様の形態で構成され得る。これらの層の数は、指向性のバイアスを維持できる距離によって制限される。散乱事象により、これら層の性能は、直列に配置されたいくつかの層にわたって減少する。図１６または図１４に示す装置と同様に構成されたバイアス層、ならびに図１５および図１３に示すフィルタリング装置と同様に構成された下流の集束層の周期的配置により、対象オブジェクトの軌跡を周期的にバイアスすること、および集束させることが低減され得る。これは、抗力を低減させ、フィルタリング装置の有効性を改善し得る。

いくつかの実施形態では、フィルタリング装置の各層の特性長は、フィルタリング装置全体にわたる密度および圧力の増加に関連する平均自由行程の減少に対応して、組み合わせたフィルタリング装置全体にわたって下流方向に減少し得る。代替として、平均自由行程の長さを、フィルタリング装置の構成または製造可能性によって提供されるサイズ制約を超えて維持するために、流速を増加させることができ、媒体の密度を減少させることができる。

図２０は、閉じた構成またはゼロ推力構成にある、図１９に示す実施形態の断面図である。この構成では、並進スパイク３０２２は完全に後退した位置にあり、チャネル３００２の閉鎖およびゼロ推力の生成がもたらされる。この構成では、フィルタリング装置３００６は静的境界条件において動作すると考えることができ、第１のリザーバ１００２におけるよりも第２のリザーバ１００４において、より大きい圧力が生成される。

本発明のいくつかの実施形態では、対象オブジェクトは、量子場理論によって説明されるような仮想粒子である。量子真空は、仮想オブジェクトを含む媒体であると考えることができ、仮想オブジェクトは、対応する従来のまたは実際のオブジェクトのプロパティの一部または全てを一時的に示す量子真空の変動を表す。仮想オブジェクトの例は、仮想光子、または電子と陽電子などの仮想粒子と反粒子のペアである。量子真空は、質量または運動量など、粒子または波の任意のプロパティを瞬時に示すことができる。本発明の実施形態との関連において、光子などの従来のオブジェクトと、仮想光子などの仮想オブジェクトとは区別されない。単純化のために、用語「真空」は、量子場理論によって記述される量子真空を指すために使用される。これらの仮想粒子は、零点エネルギー、および関連する効果、例えばカシミール効果を引き起こす。

量子真空と相互作用する本発明の実施形態が、以下のように構成され得る。フィルタリング装置の特性サイズ、チャネルの特性長および特性幅は、仮想粒子の平均自由行程の１０００倍の長さ未満となるように構成されている。換言すれば、フィルタリング装置の特徴的なサイズは、本発明の構成要素の間、例えばチャネルの両側にある壁の間でのカシミール力が無視できないような形態で構成されている。換言すれば、フィルタリング装置の特徴的なサイズは、本発明の構成要素の間、例えばチャネルの両側にある壁の間での零点エネルギーが、零点エネルギーの乱されていない真空レベルから無視できない量だけ変化するような形態で構成されている。

真空は、仮想光子などの仮想粒子で構成されると考えることができ、仮想粒子は、別の仮想粒子と共に消滅する前に、一定距離を移動するか、または一定時間だけ存在する。本明細書で説明するように、消滅事象はＯＩの散乱事象と考えることができる。本明細書で論じるように、消滅または消失事象の合間に仮想光子などの仮想粒子が移動する平均経路は、仮想粒子の平均自由行程と考えることができる。仮想粒子の平均自由行程は、１ナノメートルの数桁以内にある。例えば、２つの対向する完全に導電性のプレート間のカシミール圧力は、約１０ナノメートルの分離において１気圧にほぼ等しい。

量子真空と相互作用するフィルタリング装置の形状寸法は、本明細書で論じる任意の好適な形状寸法であり得る。例えば、フィルタリング装置は、図１６および図１７との関連で記載した形態で構成され得る。量子真空と相互作用する本発明の実施形態はまた、図４および図５との関連で記載した形態で構成され得る。静的境界条件に対する仮想粒子の初期方向の分布は、図１４および図１６との関連で記載したように、全ての角度にわたって均一であることに留意されたい。以下の段落では、説明の便宜と明確化のために、論じられることになる例示的実施形態は、図１６の実施形態と同様に構成された実施形態である。

この実施形態では、バルク材料２１４６またはバルク材料２１５４などのフィルタリング装置のバルク材料の表面は全て完全に導電性である。他の実施形態では、そうである必要はない。バルク材料２１４６は、超伝導材料、または金属などの通常の伝導材料、シリコンなどの半導体、またはガラスなどの絶縁体であり得る。他の実施形態では、バルク材料の表面はまた、意図したプロパティを有する異なる材料でコーティングされてもよい。目標の最小化にとって高い導電率が好都合である場合、銅、銀、またはグラフェンなどのコーティング材料を使用してもよい。この単純化された実施形態では、バルク材料は中性に帯電している。バルク材料２１４６が金属である場合、アルミニウムなどのプラズモン周波数が大きい金属が使用され得る。これにより、バルク材料の反射率がゼロより大きい周波数の範囲が最大化されることが確実になり、それにより、フィルタリング装置が仮想光子などの仮想粒子の広範囲の周波数と相互作用できることが確実になり、その結果、推力または軸方向圧力が最大化される。

動的境界条件では、図１６に示す実施形態に関して負のＹ方向に仮想オブジェクトの正味の拡散が存在するように、仮想オブジェクトがフィルタリング装置と相互作用し得る。これは、フィルタリング装置に正のＹ方向への正味の力をもたらし得る。ＸＺ平面における単位領域あたりのこの力の値は、軸方向圧力として表される。例えば、仮想粒子が仮想光子である場合、この軸方向圧力の起源は、仮想光子の放射圧力であり、仮想光子は、図１６の軌跡２０５３と軌跡２０５５によって例示されるように、フィルタリング装置によって、これら仮想光子の平均自由行程内でリダイレクトされるかまたは集束される。フィルタリング装置の表面、例えば表面２１２６および表面２１２７に作用する仮想オブジェクトの放射圧力は、Ｙ方向に沿った正味の力または正味の軸方向圧力を生じさせ得る。零点エネルギーの値は、ベースラインの乱されていない真空と比較して、チャネル２１１９ではより大きいと考えることができ、その結果、内部表面２１２７における圧力は、表面２１２６での零点エネルギーの、より低い、ベースラインの、乱されていない真空レベルに起因する圧力よりも大きくなる。零点エネルギーは、仮想オブジェクトに関連するエネルギーと考えることができる。チャネルのサイズおよび形状、ならびにバルク材料の導電率などの他のパラメータが、この軸方向圧力の大きさに影響する。

図１４ならびに図１３との関連で論じたように、軸方向圧力の方向はまた、負のＹ方向である可能性があり、仮想粒子の初期方向が前述のように＋９０度および−９０度の方向に向かってバイアスされる実施形態または用途については、零点エネルギーはチャネル内で低減される可能性がある。

有限表面の全ての部分が非変更の真空（ｕｎｍｏｄｉｆｉｅｄ ｖａｃｕｕｍ）にさらされた場合、本発明の実施形態は、正味の軸方向圧力を生成するように構成され得る。他の実施形態では、有限体積の表面の他の部分は、デフォルトの境界条件の真空によって定義されるような修正されていない真空にさらされる必要はない。一般に、バルク材料は、バルク材料の１つの増分の表面要素の近傍にある媒体の零点エネルギーが、バルク材料の別の増分の表面要素の近傍にある媒体の零点エネルギーと等しくならないような形態で構成されてもよい。零点エネルギーのそのような違いは、前述の表面上での応力に違いをもたらし得る。本発明によれば、バルク材料の表面全体にわたって積分すると、そのような応力の差が、前述の表面によって取り囲まれたバルク材料の体積に正味の力を生じさせ得る。

装置ユニットの特定の形状寸法およびサイズに対する軸方向圧力の大きさおよび方向は、当技術分野で既知の方法を使用して計算することができる。例えば、このような方法が、任意の形状寸法の２つの物体間のカシミール相互作用を計算するために開発されている。これらのアルゴリズムは、本発明の範囲にまたは範囲内で提供される形状寸法のタイプに適合させることができる。特定の用途のための実施形態の適切な形状寸法およびサイズは、標準的な最適化技術を使用して見つけることができる。

そのような装置には多種多様な用途がある。例えば、軸方向圧力は、機械的仕事を行うために使用されてもよく、機械的仕事は、発電機によって電気エネルギーに変換されてもよい。本発明の実施形態は、零点エネルギーのポンピングを伴う用途についても考えることができる。図示した装置が、そうでない場合には隔離されている２つのリザーバ間の界面を形成するシナリオを考えてみる。そのような場合、本発明の実施形態を使用して、第１のリザーバにおける零点エネルギーを減少させ、それに応じて第２のリザーバにおける零点エネルギーを増加させることができる。第１のリザーバと第２のリザーバはサイズが有限であると想定され、初期的にはデフォルトの境界条件にあると想定される。すなわち、第１および第２のリザーバにおける零点エネルギーは初期的には自由空間の零点エネルギーに等しい。時間の経過と共に、本発明の実施形態は、第１のリザーバにおける零点エネルギーを低減させ、それに応じて第２のリザーバにおける零点エネルギーを増加させることになる。最終的には、いかなるリザーバにおいても零点エネルギーが時間に対してほぼ一定である新しい定常状態の構成に到達する。

量子真空と相互作用するように構成されたフィルタリング装置は、多種多様な用途を有する。例えば、そのようなフィルタリング装置は、仮想粒子のバルクフローと相互作用し、それを誘導することにより、推力を生成するように構成され得る。例えば、そのような実施形態は、図１９および図２０に示す実施形態と同様の形態で構成されることができ、ここで媒体１０４６はガスとは対照的に真空である。したがって、そのようなエンジンは、空間の真空中で推力を生成するように構成され得る。したがって、本発明の実施形態は、宇宙船またはロケットを駆動または推進するために使用され得る。このような用途では、フィルタリング装置は、例えば、従来の化学ロケットの代わりに、宇宙船またはロケットに取り付けられ得る。図１９との関連で論じたように、並進スパイク３０２２などの並進スパイクを使用して、エンジンを通る仮想粒子の流量が調節され得る。上述のように、バルク材料３００１は、仮想粒子と相互作用するフィルタリング装置のバルク材料と同様の形態で構成することができる。他の実施形態では、異なるタイプのバルブまたは流量レギュレータを使用して、仮想粒子またはガス分子の、チャネル３００２を通る流量または拡散速度を調節することができる。例えば、出口３００９は、中心軸に沿って見たときに断面領域を狭めることができる可動ノズルを備え得る。

量子真空または任意の他のタイプの媒体と相互作用するフィルタリング装置はまた、発電機の回転シャフトに取り付けられ、シャフトにトルクを加えることができる。したがって、フィルタリング装置を使用して、シャフトを回転させ発電機に動力を供給することができ、発電機は動力を電気に変換することができる。そのような構成では、フィルタリング装置は、風力タービンにおけるタービンブレードと同じ機能を実行することができ、同様に配置することができる。フィルタリング装置の法線またはＹ軸は、フィルタリング装置を基準としてＯＩの局所的なフローに垂直に構成され得る。フィルタリング装置は、正味のバルクフローまたは風がない場合であっても、推力を生成すること、または発電機に動力を供給することができることに留意されたい。

量子真空と相互作用するフィルタリング装置を、保護ケーシング内に封入することもできる。例えば、このケーシングは、入口３００３および出口３００９を閉じることができる。ケーシングは、仮想粒子にとって、バルク材料３００１に対するよりも高い透明度を有するように構成され、それにより仮想粒子は依然として保護ケーシングを通って移動できる。ケーシングは、空気分子、塵埃粒子、またはエアロゾルなどの他のオブジェクトによるフィルタリング装置の個々のチャネルの汚染または閉塞を防止または低減するように構成され得る。ケーシング材料は、前述のプロパティを有する任意の材料であり得る。例えば、ケーシング材料は、電磁放射に対して高い透過率を有するガラス繊維または他の任意の材料であり得る。ケーシングの金属を通る仮想粒子の透過率が、フィルタリング装置のバルク材料、例えばバルク材料３０４１、を通る仮想粒子の透過率よりも大きい場合、ケーシング材料は金属であり得る。

図２１は、冷蔵庫における本発明の一実施形態を適用した断面図である。

冷蔵室によって形成された第１のリザーバ３１０１があり、これは冷却される物品を含む。冷蔵庫が位置する環境によって形成される第２のリザーバ３１０２があり、これは例えば部屋または大気である。

フィルタリング装置３１０３は、第１のリザーバ３１０１から第２のリザーバ３１０２の中へと熱放射を伝達するように構成されている。銅または銀などの高い熱伝導率を有する金属プレート３１０４および３１０５は、他の粒子による汚染からフィルタリング装置を保護するために、かつフィルタリング装置のチャネルとギャップ内にある、ガス分子などの他のオブジェクトとの光子散乱事象を軽減するために、フィルタリング装置の入口側および出口側に位置している。いくつかの実施形態では、フィルタリング装置の層は、そのような散乱事象を防止するために、真空または低圧ガス中に位置している。第３の金属プレート３１０６が、フィルタリング装置と外側のリザーバとの間の界面を形成する。第１のリザーバ３１０１から第２のリザーバ３１０２への熱流の速度を調節するために、モーターまたはアクチュエータ３１０８により、垂直方向に、断熱性のスライドドア３１０７を伸ばし、スロット３１０９に引き込むことができる。スライドドア３１０７の熱伝導率は低く、金属プレート３１０５に面する高反射面を有し、それにより、第１のリザーバによってプレート３１０４に放出され、フィルタリング装置３１０３または９００によってプレート３１０５上に集束され、プレート３１０５によって放出される熱放射の一部が、反射されてプレート３１０５に向かって戻され、第１のリザーバ３１０４に戻される。フィルタリング装置は、図７のフィルタリング装置と同様の形で構成されている。すなわち、フィルタリング装置は、図３のフィルタリング装置と同様の形態で構成された、拡大図３１１８によって示すような、層３１１９および層３１２５などのいくつかの層を備える。熱流または光子流の正味の方向を、矢印１０４０で示す。

冷蔵庫は、内部表面３１１７、上部表面３１１４、後部表面３１１６、および底部表面３１１５を有する。バルク材料３１１０は断熱されている。ドア３１１２は、冷蔵室３１０１へのアクセスを可能にする。スロット３１１３などのスロットが、従来技術の実施形態では一般的なように、棚を冷蔵室内に配置することを可能にしている。

図２１のフィルタリング装置３１０３と同様に構成されたフィルタリング装置を、部屋などのリザーバを加熱または冷却するための空調装置で使用することもできる。冷却用途では、第１のリザーバ３１０１は、冷却される部屋とすることができ、第２のリザーバ３１０２は、大気または外部環境とすることができる。加熱用途では、第２のリザーバ３１０２が加熱される部屋であり、第１のリザーバ３１０１が大気または外部環境となるように、フィルタリング装置が逆にされる。

図２２は、電流源における本発明の一実施形態を適用した断面図である。

フィルタリング装置３１５３が、導体３１５１内に組み込まれ、対象オブジェクトとしての電子と相互作用するように構成される。フィルタリング装置のバルク材料３１７８は、導体３１５１のバルク材料３１５２、すなわち電子がその内部を主として移動する媒体と比較して、より低い電気伝導率を有する材料であり得る。拡大図３１６７で示すように、フィルタリング装置は、層３１７１または層３１６８などの、直列に配置されたフィルタリング装置のいくつかの層を備え、各層は、図１４に示すフィルタリング装置と同様の形態で構成されたフィルタリング装置を備える。電子のバルクフローの方向は、動的境界条件に対して矢印１０４０で示されている。

フィルタリング装置３１５０は電流源であると考えることができ、電気接点３１５４および３１５７は、電流源の端子を形成すると考えることができる。電流源のエネルギーは、電子の熱エネルギーと、導体３１５１のバルク材料３１５２など、電子と熱的に接触している任意の材料によって提供される。電気接点は、導体３１５８、３１５９などの導体、ならびに接点３１５５および３１５６によって接続される。

示されている特定の用途では、例えばパルス幅変調を使用して電流源の電流フローを調節するためにも使用できるスイッチ３１６１がある。いくつかの実施形態では、スイッチ３１６１は、電流または電圧を変調または調節するのに好適なトランジスタまたは他の電子デバイスを備える。

スイッチ３１６１が開位置にある場合などの静的境界条件では、フィルタリング装置の作用により、電子の濃度は、接点３１５５におけるよりも接点３１５６における方が高い。したがって、開回路の端子間には電圧差「Ｖ」が存在する。

動的境界条件では、回路は閉じており、電子は負荷３１６２を通って流れることが可能である。負荷３１６２は、例えば、抵抗器であり得る。図示した実施形態では、負荷３１６２は、機械的仕事を行うように構成された電気モーター３１６５である。導体を通る電子のバルクフローに関連するエネルギーは、電子の熱エネルギーによって提供されるので、連続的な定常状態の動作では、熱エネルギーが補充される必要がある。電子熱エネルギーの補充は、熱交換器３１６３によって強化されることができ、熱交換器３１６３は、示される実施形態３１６６では、大気などの環境から熱を抽出するように構成されたいくつかの金属プレート３１６６を備える。いくつかの実施形態では、負荷３１６２および熱交換器３１６３は同一である。電子によってジュール加熱の形で負荷抵抗器に伝達されるエネルギーの全てが、熱伝導を介して電子に戻される実施形態などの、そのようないくつかの実施形態では。そのような実施形態では、フィルタリング装置３１５１を備える回路は、超伝導であると考えることができる。

図２３は、ターボシャフトエンジンにおける本発明の一実施形態を適用した断面図である。

この例では、ターボシャフトエンジン３２００は空気と相互作用するように構成されているが、他の実施形態では他のガスが使用され得る。

エンジン３２００は、入口３２０３、タービン３２０４、フィルタリング装置３２０５、圧縮機３２０６、および出口３２０７を備える。

ステーション３２１０は、自由ストリーム状態におけるガスのプロパティを示す。ステーション３２１１では、ガスの圧力および密度は、タービン３２０４によってほぼ断熱的に低減される。ステーション３２１２では、圧力はフィルタリング装置によって増加されている。単純化されたモデルでは、この圧力増加は等温的かつ断熱的であると見なすことができる。ステーション３２１４では、ガスがエンジン３２００のチャネル３２０２から出ることを可能にするために、圧力が圧縮機によって自由ストリーム状態に高められている。ステーション３２１４における温度は、ステーション３２１０における温度よりも低い。したがって、ガスの熱エネルギーは機械的仕事に変換されている。仕事はターボシャフトエンジンのシャフトパワーとして利用可能である。例えば、発電機が、シャフト３２２２に接続され、エンジン３２００のシャフト仕事を電気仕事に変換するために使用され得る。別の例では、ヘリコプターまたはターボプロップのプロペラをシャフト３２２２に機械的に結合させ得る。別の例では、ターボファンエンジンのファンをシャフト３２２２に機械的に結合させ得る。別の実施形態では、シャフト出力を供給する代わりに、エンジン３２００を使用してエンジン３２００を通るガスフローを加速し得る。そのような実施形態では、エンジン３２００は、ターボジェットと同様の方法で動作させ得る。

拡大図３２３８で示すように、フィルタリング装置３２０５は、層３２３９または３２４２などの、直列に接続されたいくつかの層を備え、各層におけるフィルタリング装置は、図１６に示すフィルタリング装置と同様に構成されている。

タービン３２０４は、ツインスプール構造のものであり、シャフト３２２２に接続された高圧タービンと、シャフト３２２１に接続された低圧タービンとを備える。シャフトまたはスプール３２２２および３２２１を介して、タービンによって生成された機械的仕事の一部は、圧縮機３２０６に動力を供給するために圧縮機３２０６に送られる。タービンおよび圧縮機はいくつかのステージを含み、各ステージは、従来の回転子および固定子ディスク、例えば、回転子３２２５および固定子３２２４、または回転子３２２６および固定子３２２７、または回転子３２２８および固定子３２２９、または回転子３２３０および固定子３２３１を含む。圧縮機は、対応する低圧圧縮機および高圧圧縮機を備える。回転子ディスクは、低圧および高圧シャフト３２２１および３２２２に接続されている。高圧タービンの回転子ディスク３２２５は、例えば、シャフト３２２１のハブ３２２０に堅固に接続され、シャフト３２２１は、高圧圧縮機の回転子ディスク３２３０に堅固に接続されている。

環状チャネル３２０２が、内側外部表面３２１８および内側内部表面３２１９によって境界が定められている。バルク材料３２０１はまた、外側表面３２１７によって境界が定められている。

図２４は、閉じた構成またはゼロ推力構成にある、図２３に示す実施形態の断面図である。図１９のエンジン３０００との関連で説明したように、並進スパイク３２２３は、チャネル３２０２を通る、対象オブジェクト、すなわちガス分子、を含むガスの流量を調節するように構成されている。したがって、エンジン３２００によって生成される動力の量、またはエンジン３２００によって生成される推力の量が調節され得る。スパイク３２２３は、スロット３２３４内に位置する支持シャフト３２５２上を、中心軸、すなわちチャネル３２０２の回転対称軸に平行な方向に並進し得る。フェアリング３２３７が、並進スパイク３２２３の全ての可能な位置においてチャネル３２０２の円滑なフローを確実にする。前と同様に、並進スパイク３２２３は、チャネル３２０２の断面領域を、完全に開いた位置と完全に閉じた位置との間を連続的に所望の値に変化させるように構成されている。

図２５は、本発明の例示的実施形態、例えば図１９に示す例示的実施形態を通過する空気の比体積３３０１に対する圧力値３３０２のプロットである。

プロット３３００の熱力学的サイクルは、第１の点３３０３、第２の点３３０４、第３の点３３０５、および第４の点３３０６を示す。第５の点と第１の点は一致している。断熱圧縮３３０７に続いて、自由ストリーム状態３３０３にあるガスが断熱的に圧縮される（３３０７）。本発明に従って構成されたフィルタリング装置との遭遇中、ガスは破線３３０８によって示すように等温的かつ断熱的に圧縮される。その後、ガスは断熱的に膨張する（３３０９）。ステーション３３０６において、ガスは自由ストリーム圧力で噴出されて自由ストリームになる。自由ストリームでは、ガスは等圧的に加熱される（３３１０）。ステーション３３０６におけるガスはステーション３３０３におけるよりも低温であり、ガスの冷却によって生成される正味の機械的仕事は、断熱膨張３３０９と断熱圧縮３３０７の仕事の差である。

実施形態のサブセットに関する図１９では、ステーション３３０３、３３０４、３３０５、および３３０６はそれぞれ、ステーション３０１２、３０１４、３０１５、および３０１７に対応すると考えることができる。

他の熱力学的サイクル、例えば、断熱性の圧縮または膨張とは対照的な、閉じたサイクル、または等容性もしくは等温性の圧縮もしくは膨張を伴うサイクルが、本発明に従って構成されたフィルタリング装置を使用して、当業者によって容易に構築され得る。このサイクルの圧力値は任意であり、例示を目的として選択されており、本発明の範囲を限定することを意図していない。

図２６は、本発明の例示的実施形態、例えば図２３に示す例示的実施形態を通過する空気の比体積３３２１に対する圧力値３３２２のプロットである。

プロット３３２０の熱力学的サイクルは、第１の点３３２３、第２の点３３２４、第３の点３３２５、および第４の点３３２６を示す。第５の点と第１の点は一致している。断熱膨張３３２７に続いて、自由ストリーム条件３３２３にあるガスが断熱的に圧縮される（３３２７）。本発明に従って構成されたフィルタリング装置との遭遇中、ガスは破線３３２８によって示すように等温的かつ断熱的に圧縮される。その後、ガスは断熱的に圧縮される（３３２９）。ステーション３３２６において、ガスは自由ストリーム圧力で噴出されて自由ストリームになる。自由ストリームでは、ガスは等圧的に加熱される（３３１０）。ステーション３３２６におけるガスはステーション３３２３におけるよりも低温であり、ガスの冷却によって生成される正味の機械的仕事は、断熱膨張３３２７と断熱圧縮３３２９の仕事の差である。

実施形態のサブセットに関する図２３では、ステーション３３２３、３３２４、３３２５、および３３２６はそれぞれ、ステーション３２１０、３２１１、３２１２、および３２１４に対応すると考えることができる。

本発明に従って構成されたフィルタリング装置を使用する他の熱力学的サイクル、例えば、断熱性の圧縮または膨張とは対照的な、閉じたサイクル、または等容性もしくは等温性の、圧縮もしくは膨張を伴うサイクルが、当業者によって容易に構築され得る。このサイクルの圧力値は任意であり、例示を目的として選択されており、本発明の範囲を限定することを意図していない。

フィルタプレートの全ての図示された例では、１つのチャネルシステムにおける各入口ポートは１つだけの出口ポートに接続され、各チャネルシステムにおけるチャネルは他のいかなるチャネルシステムのチャネルにも接続されていない。したがって、チャネルシステムは、１つの出口ポートに結合された全てのチャネル（複数ある場合）として識別され得る。

特に明記されていない限り、または文脈から明らかでない限り、「または」という用語は、本明細書全体にわたって「および／または」と等価である。

本明細書で別途明示的に述べられていない限り、通常の用語は、それらが提示されるそれぞれの文脈内で対応する通常の意味を有し、通常の技術用語は対応する通常の意味を有する。

Claims (17)

1. 複数のチャネルシステムで形成されたプレートを備える装置であって、前記チャネルシステムの各々は、
   前記プレートの入口側に形成された入口ポートと、
   前記プレートの出口側に形成された１つだけの出口ポートと、
   前記プレート内に形成されたチャネルと、を含み、
   前記チャネルは前記入口ポートおよび前記出口ポートに結合されており、第１の積と第２の積との比率は１よりも大きく、前記第１の積は、チャネルシステムの前記入口ポートのキャプチャ領域と、前記入口ポートに関連する第１の透過率との積であり、前記第２の積は、チャネルシステムの前記出口ポートのキャプチャ領域と、前記出口ポートに関連する第２の透過率との積である、装置。
2. 前記チャネルシステムの各々は、前記プレートの前記入口側に形成された追加の複数の前記入口ポートと、前記プレート内に形成された追加の複数の前記チャネルとを更に備え、前記チャネルの各々は、前記入口ポートおよび前記出口ポートのうちの１つだけに結合されている、請求項１に記載の装置。
3. 前記チャネルシステムのいずれも、前記出口ポートの２つ以上を含まない、請求項２に記載の装置。
4. 前記チャネルのいずれも、前記出口ポートの２つ以上に結合されていない、請求項２に記載の装置。
5. 前記チャネルシステムの各々は、前記入口ポートのうちの１つだけ、および前記出口ポートのうちの１つだけを含み、先細のチャネルが前記入口ポートを前記入口ポートに結合させている、請求項２に記載の装置。
6. 前記チャネルシステムの各々について、前記チャネルのうちの選択された１つのチャネルは前記入口ポートのうちの１つに、および前記出口ポートのうちの１つに結合され、前記チャネルシステムの各々の他の全てのチャネルは前記選択された１つのチャネルに結合されている、請求項２に記載の装置。
7. 前記選択された１つのチャネルは線形チャネルとして形成され、前記線形チャネルに結合された他のチャネルは弓形チャネルとして形成されている、請求項６に記載の装置。
8. 前記チャネルシステム内の全てのチャネルは線形チャネルとして形成されている、請求項６に記載の装置。
9. 前記チャネルを通過するオブジェクトの平均自由行程の値と、前記チャネルの特性長または特性幅との比率は０．００１よりも大きい、請求項１に記載の装置。
10. 前記入口ポートの直径は、前記入口ポートを通過するオブジェクトの衝突直径の約１倍から、その位置におけるオブジェクトの平均自由行程の約１０００倍までの範囲にある、請求項１に記載の装置。
11. 前記チャネルの長さは、前記入口ポートを通過するオブジェクトの衝突直径の約１倍から、隣接するリザーバにおける前記オブジェクトの平均自由行程の約１０００倍までの範囲にある、請求項１に記載の装置。
12. 前記入口ポートは、円形の外周で形成されている、請求項１に記載の装置。
13. 前記入口ポートは、多角形の外周で形成されている、請求項１に記載の装置。
14. 前記入口ポートは、面取り長方形（ｏｂｒｏｕｎｄ）の外周で形成されている、請求項１に記載の装置。
15. 前記出口ポートは、円形の外周で形成されている、請求項１に記載の装置。
16. 前記出口ポートは、面取り長方形（ｏｂｒｏｕｎｄ）の外周で形成されている、請求項１に記載の装置。
17. 前記チャネルシステムのいずれも、前記プレート内で互いに結合されていない、請求項１に記載の装置。

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