JP7104623B2 - 方向付けられた赤外線放射装置 - Google Patents

Description

＜関連出願への相互参照＞
本出願は、２０１５年１０月２３日出願の発明の名称「方向付けられた赤外線放射装置（Ｄｉｒｅｃｔｅｄ Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｒａｄｉａｔｏｒ Ａｒｔｉｃｌｅ）」の米国仮特許出願第６２／２４５，３４１号の優先権を主張し、その開示は、その全体が引用によって本明細書に組み込まれる。

赤外線による加熱には、典型的に、化学反応または電気抵抗によって温められたソースを必要とする。そのようなシステムは非効率的であり、広範囲の波長にわたってそれらの放射線を発する。そのソースは危険でもあり、偶然に他の物質を点火させて火傷を引き起こし、それらの操作に必要とされるしばしば大量の電流が原因で電気ショックを伝える可能性がある。これらのソースは、しばしば、大きな熱質量を有していることを特徴とし、結果として、昇温までの時間の延長をもたらす他に、停止された後に長時間の間危険なほど熱くされたままになる。

本開示は、遠隔標的を加熱するために赤外線エネルギーを発する及び方向付けるための装置に関する。該装置は、遠隔に位置する標的を加熱するための、電流が適用されたときに赤外線エネルギーを発するように構成されたナノ構造部材および発せられた赤外線エネルギーの少なくとも一部を望ましい方向に方向付けるように構成された反射部材を含み得る。

ナノ構造部材は、幾つかの実施形態では、シートとして扱われる十分な構造的完全性を有する必要な結合力を提供するための隣接したナノチューブ間に十分な数の接触部位を有している連続構造体を形成するために重ねて置かれた複数の混在されたナノチューブを含み得る。１つのそのような実施形態では、ナノ構造部材は、フィロ・ドウ構造（ｐｈｙｌｌｏ－ｄｏｕｇｈ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）を形成するために重ねて堆積された不織布のナノチューブの複数の層を含み得る。ナノ構造部材の実施形態は、１平方メートル当たり約１０グラムのナノチューブ面密度を有し得る。代替的な実施形態では、グラフェン、グラファイト、カーボンブラック、または他のカーボンベースの材料の少なくとも１つを含む炭素質部材が、ナノ構造部材の代わりに用いられてもよい。反射部材は、幾つかの実施形態では、自立性の反射材料であってもよく、他の実施形態では、基板上に堆積された反射材料を含んでもよい。

ナノ構造部材および反射部材は、幾つかの実施形態では、互いに直接連結されてもよく、他の実施形態では、その代わりに、ナノ構造部材と反射部材との間に位置する１つ以上のスペーサーによって分離されてもよい。スペーサーの厚さは、ナノ構造部材から発せられた赤外線エネルギーと反射部材によって反射された赤外線エネルギーとの間の相殺的干渉を最小限にするのを助けるように選択され得る。スペーサーは、全体的な放射されたエネルギーを一般に最大限にするように、あるいはヒトまたは動物などの具体的な標的を熱するのに最適な波長などの、特定の波長の放射線を最大限にするように調整され得る。

図１Ａは、本開示の実施形態による方向付けられた赤外線ヒーターの平面図を示す。 図１Ｂは、本開示の実施形態による方向付けられた赤外線ヒーターの断面図を示す。 図１Ｃは、本開示の実施形態による導線を示す。 図２Ａは、本開示の実施形態による代表的なカーボンナノチューブ部材に関する波長に応じた透過率を例示する。 図２Ｂは、赤外波長のスペクトルに関する代表的なヒトの吸収特性を例示する。 図３は本開示の実施形態によるカーボンナノチューブ部材を示す。 図４は、本開示の実施形態によるＣＮＴシート内のナノチューブのフィロ・ドウ配置の断面図を示す。 図５は、本開示の実施形態によるカーボンナノチューブシートを形成するためのシステムを示す。 図６Ａは、本開示の実施形態によるカーボンナノチューブシートを採取するためのシステムを示す。 図６Ｂは、本開示の実施形態によるカーボンナノチューブシートを採取するためのシステムを示す。 図７Ａは、本開示の実施形態による方向付けられた赤外線ヒーターを示す。 図７Ｂは、本開示の別の実施形態による方向付けられた赤外線ヒーターを示す。 図８Ａは、本開示の実施形態によるスペーサーを有している方向付けられた赤外線ヒーターを示す。 図８Ｂは、本開示の別の実施形態によるスペーサーを有している方向付けられた赤外線ヒーターを示す。 図９Ａは、本開示の実施形態による円錐形の方向付けられた赤外線ヒーターを示す。 図９Ｂは、本開示の実施形態による円錐形の方向付けられた赤外線ヒーターを示す。 図１０Ａは、本開示の実施形態による円筒状の方向付けられた赤外線ヒーターを示す。 図１０Ｂは、本開示の実施形態による円筒状の方向付けられた赤外線ヒーターを示す。

本開示は、加熱装置に関し、特に、人、物体などの意図した標的の遠隔加熱のために赤外線エネルギーを生成する及び方向付けるためのナノチューブベースの装置に関する。

図１Ａおよび１Ｂを参照すると、本開示の方向付けられた赤外線ヒーター（１００）は、一般に、１つ以上のカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）部材（２００）、１つ以上の反射部材（３００）、および１つ以上のスペーサー（４００）を含み得る。電気エネルギーがＣＮＴ部材（２００）に適用されて、赤外線エネルギーを生成し、反射部材（３００）は、発せられたエネルギーを加熱される標的の方へと形作る及び方向付ける働きをし得る。本発明の実施形態に従って作られたカーボンナノチューブは、図２Ａに示されるように、電流がそれらを通り抜ける結果として遠赤外スペクトルにおいて効率的に放射するように作用することができる。これによって、加熱装置は効率的になり、それ自体を加熱することなく、すべての方向で遠赤外において放射することができる。遠隔赤外線加熱は、典型的に、望ましい加熱効果を達成するために標的とされた人または物体のまわりの空気を温める必要がないため、意図した標的（例えば、人または物体）を温める効率的な方法であり得る。図２Ｂの示される及び後に本開示でより詳細に議論されるように、試験は、約８ミクロンから１２ミクロンの範囲内の赤外線が、人体に最適に吸収され、それ故ヒトへの加熱用途に最適であり得ることを示した。

電源は、任意の適切な方法で本発明のＣＮＴ部材（２００）に接続され得る。一実施形態では、１つ以上のリード線などの入力部（ｉｎｐｕｔ）は、例えば、図１Ｃに示されるように圧着によって機械的に接続され得る。別の実施形態では、適切な入力部またはリード線を提供するために、銀インクなどの伝導材料がＣＮＴ部材（２００）上に堆積され得る。さらに別の実施形態では、ＣＮＴ部材（２００）のナノチューブと金属のリード線または他の適切な入力部との間の伝導率を増強するために、ガラス状カーボン前駆体が、ＣＮＴ部材（２００）と金属のリード線または他の適切な入力部との間に適用され得る。

現在、ナノチューブを成長させる、およびこれらのナノチューブから作られたヤーン、シートまたはケーブル構造を形成するための複数のプロセスおよびそれらの変形が存在する。これらは以下を含む：（１）周囲圧力近くで又は高圧で、および約４００℃を超える温度で生じることができる一般的なプロセスである、化学蒸着（ＣＶＤ）、（２）完成度が高いチューブをもたらすことができる高温プロセスである、アーク放電、および（３）レーザーアブレーション。

本発明は、一実施形態において、カーボンナノチューブを含む適切なナノ構造体を生成するために、ＣＶＤプロセスまたは当該産業に既知の類似した気相熱分解の手順を利用する。ＣＶＤプロセスのための成長温度は、例えば、約４００℃から約１３５０℃の範囲で比較的低くなり得る。単層（ＳＷＮＴ）または多層（ＭＷＮＴ）のカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）は、本発明の実施形態において、ナノスケールの触媒粒子を試薬炭素含有ガス（即ち、ガス状の炭素源）の存在下にさらすことによって成長させられ得る。特に、ナノスケールの触媒粒子は、既存の粒子の追加によって、あるいは有機金属前駆体、またはさらに非金属触媒からの粒子のインサイチュでの合成によって、試薬炭素含有ガスへと導入され得る。ＳＷＮＴおよびＭＷＮＴ両方が成長させられ得るが、特定の例において、ＳＷＮＴが、ロープ状構造を形成するためのその比較的より高い成長の速度および傾向が要因で選択され、これは、取り扱い（ｈａｎｄｌｉｎｇ）、熱伝導率、電子的特性、および強度の利点をもたらし得る。

本発明に関連して生成された個々のカーボンナノチューブの強度は、約３０ＧＰａまたはそれ以上であり得る。強度は、留意されるべきこととして、欠陥の影響を受けやすい。
しかしながら、本発明の作り上げられたカーボンナノチューブの弾性係数は、欠陥の影響を受けないかもしれず、約１ＴＰａから約１．２ＴＰａまで様々であり得る。さらに、一般に構造に敏感なパラメーターであり得るこれらのナノチューブの破損歪みは、本発明において約１０％から最大約２５％までの範囲に及び得る。

さらに、本発明のナノチューブの直径は、比較的小さくなっている。本発明の一実施形態では、本発明の作り上げられたナノチューブの直径は、約１ｎｍ未満から約数１０ｎｍまでの範囲であり得る。本発明の一実施形態に従って作られたカーボンナノチューブが、市販のカーボンナノチューブと比較したときに、長さが伸長され得る（即ち、長いチューブ）ことが認識されるべきである。本発明の一実施形態では、本発明の作り上げられたナノチューブの長さは、ミリメートル（ｍｍ）範囲であり得る。

炭素から合成されたナノチューブに対する適用の全体にわたって言及されているが、ホウ素、ＭｏＳ_２、またはその組み合わせなどの他の化合物が、本発明に関連するナノチューブの合成に使用されてもよいことが留意されるべきである。例えば、ホウ素ナノチューブも成長させられ得るが、それが異なる化学前駆体を用いて行われ得ることが理解されるべきである。加えて、個々のカーボンナノチューブの抵抗力を低減するためにもホウ素が使用され得ることが留意されるべきである。さらに、本発明のナノチューブを作り上げるために、プラズマＣＶＤなどの他の方法も使用することができる。

＜ＣＮＴ部材（２００）＞
ＣＮＴ部材（２００）は、カーボンナノチューブを含有している導電材料を含み得る。一実施形態では、より詳細に以下に記載されるように、ＣＮＴ部材（２００）は、ナノチューブの不織布シートまたはナノチューブヤーンを含み得る。別の実施形態では、ＣＮＴ部材（２００）は、ナノチューブ含有フィルムまたは印刷ナノチューブインクなどの、ナノチューブの分散液を含み得る。また別の実施形態では、ＣＮＴ部材（２００）はナノチューブアレイを含み得る。参照の便宜上、ＣＮＴ部材（２００）はまた、本明細書でナノ構造部材と呼ばれ得る。

ここで図３を参照すると、本発明は、一実施形態において、ナノ構造のＣＮＴシート（１２） から作られたＣＮＴストリップ（１０）を提供する。ＣＮＴストリップ（１０）は、その長さに沿った、即ち、ＣＮＴシート（１２） の平面内の導電性を可能にするように設計され得る。図３での示されるように、ＣＮＴストリップ（１０）は、単一のＣＮＴシート（１２） の形態で実質的平面体を含み得る。シート（１２） は、一実施形態において、多数の（ａ ｃｌｏｕｄ ｏｆ）ＣＮＴから重ねて堆積された複数の不織布のカーボンナノチューブ（１４）の単層であり得るか、あるいは代替的に多層（５１ ）であり得、その各層は、多数のＣＮＴから重ねて堆積された複数の不織布のナノチューブである（図４を参照）。多層シートの場合には、複数の不織布のカーボンナノチューブが、フィロ・ドウ構造を形成し、それによって、各層は、多数のＣＮＴから重ねて堆積された複数の不織布のカーボンナノチューブを含む。他の実施形態では、ＣＮＴストリップ（１０）は、１つ以上のＣＮＴヤーンであり得る。ＣＮＴストリップは、単一のヤーン、またはより大きなヤーンを形成するために一緒に束ねられた又は撚られた複数のヤーンであり得る。ＣＮＴヤーンの例は、２００６年７月１７日に出願の米国特許出願第７，９９３，６２０号に記載され、これはその全体が引用によって本明細書に組み込まれる。

ここで図５を参照すると、ナノチューブの成形に使用するための、米国特許第７，９９３，６２０号（引用によって本明細書に組み込まれる）に開示されたシステムに類似したシステム（３０）が例示されている。システム（３０）は、一実施形態において、合成チャンバ（３１）に連結され得る。合成チャンバ（３１）は、一般に、反応ガス（即ち、ガス状の炭素源）が供給され得る入口端（３１１）、伸長された長さのナノチューブ（３１３）の合成が生じ得るホットゾーン（３１２）、および反応の産物、即ちナノチューブおよび排気ガスが排出して収集され得る、出口端（３１４）を含む。合成チャンバ（３１）は、一実施形態において、炉（３１６）を通って伸長する石英管（３１５）を含み得る。一方、システム（３０）によって生成されたナノチューブは、個々の単層ナノチューブ、そのようなナノチューブの束、及び／又は絡み合った単層ナノチューブであり得る。特に、システム（３０）は、圧縮され（ｃｏｍｐａｃｔｅｄ）混在されたナノチューブから生成された及びシートとして扱われる十分な構造的完全性を有している、実質的に連続的な不織布シートの形成に使用され得る。

システム（３０）は、本発明の一実施形態において、合成チャンバ（３１）内から環境への浮遊微粒子の放出を最小限にするように、実質的に気密であるように設計されたハウジング（３２）も含み得る。ハウジング（３２）はまた、酸素がシステム（３０）へと入り、合成チャンバ（３１）に到達するのを防ぐように作用し得る。特に、合成チャンバ（３１）内の酸素の存在は、完全性に影響を与え、ナノチューブ（３１３）の産生を損なわせかねない。システム（３０）はまた、出願番号１２／１４０，２６３に開示されたインジェクターに類似したインジェクターを含み得、これはその全体が引用によって本明細書に組み込まれる。

システム（３０）はまた、システム（３０）の合成チャンバ（３１）内のＣＶＤプロセスから作られた合成されたナノチューブ（３１３）を収集するように設計された、ハウジング（３２）内に位置する、移動式ベルト（３２０）を含み得る。特に、ベルト（３２０）は、その上に収集されたナノチューブが、実質的に連続的な伸長可能な構造（３２１）、例えば、不織布シートを続いて形成することを可能にするために使用され得る。そのようなシートは、シートとして扱われる十分な構造的完全性を有する、圧縮され、実質的に整列していない、および混在されたナノチューブ（３１３）のマトリックス、ナノチューブの束、または絡み合ったナノチューブから生成され得る。

作り上げられたナノチューブ（３１３）を収集するために、ベルト（３２０）は、合成チャンバ（３１）の出口端（３１４）に隣接して位置付けられ、それによって、ナノチューブをベルト（３２０）上に堆積させることが可能となる。一実施形態では、ベルト（３２０）は、図５で例示されるように、出口端（３１４）からのガスの流れと実質的に平行に位置付けられ得る。代替的に、ベルト（３２０）は、図６Ａおよび図６Ｂで例示されるように、出口端（３１４）からのガスの流れと実質的に垂直に位置付けられ、本質的に穴が多く設けられ得ることで、ナノ材料を運ぶガスの流れが通り抜けることを可能にする。一実施形態では、ベルト（３２０）は、出口端（３１４）より実質的に広いシートを生成するために、出口端（３１４）からのガスの流れと実質的に垂直な方向に左右に平行移動するように設計され得る。ベルト（３２０）はまた、従来のコンベヤーベルトに類似した、連続的なループとして設計されてもよく、その結果、ベルト（３２０）は軸まわりを連続して回転することができ、それによって、ＣＮＴの複数の実質的に別個の層がベルト（３２０）上に堆積されて、図４で示されるシートのような、シート（３２１）を形成することができる。その目的のために、ベルト（３２０）は、一実施形態において、対向する回転要素（３２２）のまわりでループ状にされ、電気モーターなどの機械デバイスによって駆動され得る。一実施形態では、機械デバイスは、張力および速度が最適化され得るように、コンピューターまたはマイクロプロセッサーなどの制御システムの使用によって制御され得る。シート（３２１）の形成におけるＣＮＴの多層の堆積は、本発明の一実施形態に従って、ナノチューブ間の中間層の接触を結果的に最小限にすることができる。具体的には、シート（３２１）の各々の別個の層におけるナノチューブは、シート（３２１）の隣接層には伸長しない傾向がある。結果として、平面に垂直な（ｎｏｒｍａｌ－ｔｏ－ｐｌａｎｅ）熱伝導率は、シート（３２１）を介して最小限にされ得る。

望まれる程度まで、ローラー（４５）などの圧力アプリケーターが利用されてもよい。図６Ａおよび図６Ｂを参照すると、圧力アプリケーターはベルト（４４）に隣接して位置づけられ、ベルト（４４）はガスの流れに実質的に垂直に位置づけられ、それによって、圧縮力（即ち、圧力）を収集されたナノ材料に適用する。特に、ナノ材料がローラー（４５）の方に運ばれると、ベルト（４４）上のナノ材料は、ローラー（４５）の下およびそれとは逆（ａｇａｉｎｓｔ）の移動を強いられ、その結果、混在されたナノ材料に圧力が適用され得、一方でナノ材料は、ベルト（４４）とローラー（４５）との間で干渉性の（ｃｏｈｅｒｅｎｔ）実質的に結合されたシート（４６）へと圧縮される。ベルト（４４）上のナノ材料に対する圧力を増強させるために、プレート（４４４）がベルト（４４）の後ろに位置づけられて、硬質表面が提供され、硬質表面に対してローラー（４５）からの圧力が適用され得る。収集されたナノ材料の量が十二分にあり、それが十分に混在されており、その結果、シート（４６）を生成するべく必要な結合力を提供するために、十分な数の接触部位が存在する場合、ローラー（４５）の使用が必要ではないかもしれないことが留意されるべきである。様々な実施形態では、ＣＮＴ部材（２００）の不織布のＣＮＴシートの実施形態は、約２０重量％から約９０重量％の範囲、および好ましくはおよそ８０％のカーボンナノチューブの密度を有し得る。

混在されたナノ材料のシート（４６）をベルト（４４）から切り離し、続いてハウジング（４２）から取り除くために、メスまたはブレード（４７）が、ローラー（４５）の下流に提供され、その先端はベルト（４４）の表面（４４５）に接触している。このように、シート（４６）が下流にローラー（４５）を通り過ぎて移動すると、ブレード（４７）は、ベルト（４４）の表面（４４５）からシート（４６）を持ち上げるように作用し得る。代替的な実施形態では、シート（４６）を取り除くためにブレードは必ずしも使用中である必要はない。むしろ、シート（４６）は、手動で又は当該芸術分野における他の既知の方法で取り除かれ得る。

さらに、ブレード（４７）の下流にスプールまたはローラー（４８）が設けられてもよく、その結果、切り離されたシート（４６）は、続いてその上へと配向され、回収するためにローラー（４８）に巻きつけられ得る。シート（４６）がローラー（４８）に巻きつけられるにつれ、複数の層が形成され得る。もちろん、シート（４６）がその後のハウジング（４２）からの除去のために収集され得る限り、他の機構が使用されてもよい。ローラー（４８）は、ベルト（４４）のように、一実施形態において、その回転軸がシート（４６）の移動方向に対して実質的に横方向であるように、電気モーター（４８１）などの機械的駆動装置によって駆動され得る。

ローラー（４８）に巻きつけられる際、シート（４６）自体への結合を最小化するために、分離材料（４９）（図６Ａと６Ｂを参照）は、シート（４６）がローラー（４８）に巻きつけられる前に、シート（４６）の１つの側部上に適用され得る。本発明に関する使用のための分離材料（４９）は、連続するロール（４９１）に供給され得る様々な商業上利用可能な金属シート又はポリマーの１つでもよい。そのために、シート（４６）がローラー（４８）に巻きつけられると、分離材料（４９）はローラー（４８）上へとシート（４６）に沿って引っ張られ得る。シート（４６）の１つの側部に適用され得る限り、分離材料（４９）を含むポリマーは、シート、液体、又は任意の他の形態で設けられ得ることに注意されたい。更に、シート（４６）内の混合されたナノチューブが、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉなどの強磁性体の触媒のナノ粒子を含有し得るため、分離材料（４９）は、１つの実施形態において、シート（４６）が分離材料（４９）へ強力にくっつくのを防ぐために、例えば導電性又はその他のものなどの非磁性材料でもよい。代替的な実施形態において、分離材料は必要でない場合もある。

シート（４６）は生成された後、シート（４６）として残り、又は小片などのより小さな切片に切断され得る。一実施形態において、シート（４６）を小片に切断するためにレーザーを使用してもよい。レーザー光線は、一実施形態において、レーザーがハウジングから出るとシート（４６）に向けられるように、ハウジングに隣接して位置してもよい。レーザー光線の操作及び小片の切断を制御するためにコンピューター又はプログラムが利用され得る。代替的な実施形態において、シート（４６）を小片に切断するための、当技術分野で既知の任意の機械的な手段又は他の手段が、使用され得る。

望ましい程度にまで、静電場（図示せず）は、ほぼベルト運動の方向で、合成チャンバ（３１）から生成されるナノチューブを整列するために使用され得る。静電場は、１つの実施形態において、例えば合成チャンバ（３１）の出口端（３１４）の周辺に２以上の電極を置き、且つ該電極に高電圧を加えることにより、生成され得る。電圧は、一実施形態において、約１０Ｖから約１００ｋＶ、好ましくは約４ｋＶから約６ｋＶまで変動し得る。必要ならば、電極は、小さな石英又は他の適切な絶縁体などの絶縁体で保護され得る。電場の存在により、中を通って移動するナノチューブは、移動式ベルト上でナノチューブの整列をもたらすように電場と実質的に整列し得る。

代替的に、カーボンナノチューブは、全体において引用により本明細書に組み込まれる同時係属の米国特許出願第１２／１７０，０９２号で提供されるような、カーボンナノチューブシートの合成後に伸ばすことによって整列され得る。

システム（３０）は、注記されるように、図４に示されるように不織布シートに高強度のバルクナノ材料を提供することができる。カーボンナノチューブ（１４）は、一実施形態において、図４に示されるように１つのＣＮＴシート（１２）に多層の構造又は形態を形成するために複数の別個の層（５１）に堆積され得る。上述のように、ナノファイバーの不織布シート（１１０）は、ＳＷＮＴ又はＭＷＮＴのカーボンナノチューブのいずれかの複数の別個の層の堆積から作製され得る。一実施形態において、そのような不織布シート（１１０）の引張強度は、ＳＷＮＴでは４０ＭＰａ以上であり得る。更に、そのようなシートは、ナノチューブの形成からの残りの触媒と共に使用され得る。しかし、典型的な残りのものは、２原子パーセント未満でもよい。

不織布シートにナノ材料を設けることにより、バルクナノ材料は、容易に扱われ、その一方で構造的完全性を維持し、続いて最終用途のために処理され得る。本開示のナノチューブの不織布シートとヤーンは、加熱の用途に有益な多数の特徴を提示し得る。これらの材料は導電性であり、熱質量が少なく、高度に可撓性であり、且つ化学的劣化に耐性がある。

システム（３０）と同様のシステムも、ナノチューブヤーンの製造に使用されてもよい。ヤーンを製造するために、ハウジング（３２）を、炉（３１６）からナノチューブを受けとり、それを紡いでヤーンにするための装置と取り換えることができる。装置は、ナノチューブがチューブ（３１５）から出たときにそれらを集める回転スピンドルを含んでもよい。回転スピンドルは、複数のチューブが入り且つ紡がれてヤーンにされる、取り込み端部を含んでもよい。スピンの方向は、ナノチューブ貫通孔（３１５）の移動方向へと実質的に横断され得る。回転スピンドルは、ヤーンがスピンドルの出口端の方へとガイドされ得る経路を含んでもよい。その後、ヤーンはスプール上で集められてもよい。

本発明の実施形態に従って作製されるカーボンナノチューブは、界面活性剤での処理を必要としない場合があり、導電率と熱伝導率が少なくとも３倍優れていることを、理解されたい。更に、本発明の実施形態に従って作られるカーボンナノチューブシートは、複数の層を含み得る。

様々な実施形態において、ＣＮＴ部材（２００）は、赤外線放射を増強するための添加物質を更に含み得る。特に、様々な実施形態において、産生される赤外線エネルギーの波長に影響を及ぼすための添加物質が使用され得る。例えば、一実施形態において、添加物質は、３－６ミクロンの範囲で発せられたエネルギーの波長を、代わりに８－１２ミクロンの範囲で発せられるように調整するように含まれてもよい。記載した目的に適している添加物質の例は、限定されないが、光ルミネセンス材料である燐光物質を含む。当業者は、明示された目的に適している本開示の範囲内の他の適切な添加物質を認識している。

炭素質部材（５００）
様々な実施形態において、炭素質材料を含む部材（５００）（以下、炭素質部材（５００）と称する）は、ＣＮＴ部材（２００）の適所に使用されてもよい。適宜、本開示は主に、ＣＮＴ部材（２００）を含むような方向付けられた赤外線ヒーターについて記載しているが、様々な実施形態において、方向付けられた赤外線ヒーター（１００）は付加的に又は代替的に炭素質部材（５００）を含み得ることを理解されたい。ＣＮＴ部材（２００）のように、炭素質部材（５００）の幾つか実施形態は、赤外線エネルギーを生成し及び／又は生成された赤外線エネルギーの調整を助ける能力を増強するための添加物質を含み得る。

炭素質部材（５００）は、電流が適用されると赤外線エネルギーを発することができる導電性の炭素質材料を含み得る。適切な炭素質材料の代表的な例は、限定されないが、グラフェン、グラファイト、及びカーボンブラックを含む。場合によっては、炭素質材料は、Ｇｒａｆｏｉｌシート又はグラフェンシートなどのシートで商業上利用可能であり；しかし、他の場合に、炭素質材料を、炭素質部材（５００）を形成するために基板又は支持体の他の形態に連結させることが必要な場合もある。例えば、幾つかの実施形態において、グラファイト又は導電性カーボンブラックをベースとするインクなどの炭素質材料は、基板上に覆われ又は堆積されてもよい。これらのインクの多くは、ＤｕＰｏｎｔ及びＭｅｒｅｃｏのような企業から市販で入手可能である。

また別の実施形態において、ＣＮＴ部材（２００）はハイブリッド材料を形成するために炭素質材料と組み合わせられ得る。例えば、ＣＮＴ部材（２００）は、ハイブリッド材料を形成するためにグラフェンインクやカーボンブラックインクなどに浸され得る。インクの代表的な濃度は、ＣＮＴ部材（２００）の最大約５０容量％に及ぶこともある。結果として生じるハイブリッド材料は導電率の増大を提示し得る。

反射部材（３００）及びスペーサー（４００）
ここで図７Ａと７Ｂを参照すると、方向付けられた赤外線ヒーター（１００）は反射部材（３００）を更に含み得る。様々な実施形態において、反射部材（３００）は、望ましい方向でＣＮＴ部材（２００）により生成される赤外線エネルギーを方向付けるように構成されてもよい。代替的に又は付加的に、反射部材（３００）は、その効果と効率を増強するために、方向付けられた赤外線エネルギーを集中するように構成され得る。

反射部材（３００）は、一実施形態において、ＣＮＴ部材（２００）から発せられた赤外線エネルギーを反射するのに適切な材料及び構造でもよい。反射材料の例は、限定されないが、銀、金、又は、ＣＮＴ部材（２００）から発せられた赤外線エネルギーを反射することができる特性を持つ他の金属材料を含み得る。反射部材（３００）は、好ましい実施形態において、反射部材（３００）自体の加熱を避けるために、ＣＮＴ部材（２００）から発せられた赤外線エネルギーの少なくとも８０％を反射できなければならない。大半の金属は典型的に赤外線エネルギーの約８５％から９５％を反射することができ、金及び同様の金属では、約９７％の有効性でスペクトルの上端で実行する。一実施形態において、反射部材（３００）は、Ｍｌｙｌａｒ又はアルミニウムで処理されたＭｙｌａｒなどの自立性の反射材料を含んでもよい。別の実施形態において、反射部材（３００）は、基板に堆積される又はさもなくば適用され或いは基板により支持される反射材料を含み得る。高分子フィルムなどの任意の適切な基板が、反射材料の構造の支持のために利用され得る。反射材料と支持基板は、限定されないが、基板上での反射材料の堆積、結合剤（例えば接着剤）の使用、又は基板の表面に対して反射材量を密封するための材料（例えば、高分子シーラント層）の適用を含む、適切な様式で連結され得る。当業者は、これらが単に適切な反射材料、基板、及びそれらの組み合わせの例示であり、本発明がこれらの例示的実施形態にのみ限定されないことを意図されていることを、認識している。

ＣＮＴ部材（２００）と反射部材（３００）は、方向付けられた赤外線ヒーター（１００）を形成するために互いに連結され得る。１つの実施形態において、ＣＮＴ部材（２００）と反射部材（３００）は、感圧性アクリラート又は熱硬化性アクリル酸樹脂などの接着剤を使用して連結されてもよい。別の実施形態において、ＣＮＴ部材（２００）は、反射部材（３００）へと積層されてもよい。構成の一例は、Ｍｙｌａｒ又はアルミニウムで処理されたＭｙｌａｒに積層される、１平方メートル当たり約１０グラム（ｇｓｍ）のナノチューブ面密度を持つ、ナノチューブの不織布シートを含む。もちろん、ＣＮＴ部材（２００）と反射部材（３００）を連結するための任意の適切な方法と媒体が使用されてもよい。

図７Ｂは、反射特性を増強するようにパターン化される（ｐａｔｔｅｒｎｅｄ）、可撓性ＣＮＴシート（２００）と可撓性反射部材（３００）とを含む方向付けられた赤外線ヒーター（１００）の可撓性の実施形態を示す。

ここで図８Ａと８Ｂを参照すると、方向付けられた赤外線ヒーター（１００）は、ＣＮＴ部材（２００）と反射部材（３００）との間に位置するスペーサー（４００）を更に含み得る。スペーサー（４００）は、ＣＮＴ部材（２００）と反射部材（３００）との間の予め定められた間隔を維持するように構成され得る。図７におけるように反射部材（３００）はＣＮＴ部材（２００）に対して直接位置決めされ得ることが確実に想定され得るが、方向付けられた赤外線ヒーター（１００）の効率は、発せられた放射と反射された放射との間の相殺的干渉を最小化するように互いに距離を置いてこれらのコンポーネントを位置決めすることにより改善され得ることを、理解されたい。スペーサー（４００）は、これらコンポーネント間に位置すると、様々な実施形態において、赤外線エネルギーが最小限の干渉で通過することを可能にするのに適切な材料で作製され得る。一実施形態において、スペーサー（４００）は、ヒーター（１００）に付加的な構造的完全性を設けるために、ハニカム構造又は他の適切な構造を含み得る。もちろん、スペーサー（４００）は材料の別の層である必要がないが、むしろ、ＣＮＴ部材（２００）と反射部材（３００）との間の望ましい間隔を維持するために適切な構造（例えば、フレーム、複数の物体又は非重要構造）を含んでもよい。図８Ｂは、スペーサー（４００）がフォームから構成される実施形態を示す。

構成の一例は、スペーサー（４００）（例えばハニカム構造）の片側に積層されるＣＮＴ部材（２００）（例えばナノチューブの不織布シート）、及びスペーサー（４００）のもう片側に積層される反射部材（３００）（例えばＭｙｌａｒシート）を含む。スペーサー（４００）の厚みは、後述のように、ＣＮＴ部材（２００）と反射部材（３００）との間に、相殺的干渉を最小化するのに適切な間隔を設けるように選択され得る。

様々な実施形態において、反射部材（３００）は、ＣＮＴ部材（２００）から発せられた赤外線エネルギーが反射部材（３００）に反射するときに生じ得る相殺的干渉を最小化するように構成された距離で、ＣＮＴ部材（２００）に対して位置決めされてもよい。相殺的干渉は典型的に、入射波と反射波が互いにほぼ位相がずれて相互に作用する時に生じる。これは、一実施形態において、望ましい赤外線エネルギーの約２分の１の波長により赤外線エネルギー源から離れて反射部材（３００）との間隔を空けることにより最小化され得る。例えば、約１１ミクロンの波長を持つ赤外線エネルギーを反射することが望ましい場合、反射部材（３００）は、その赤外線エネルギー源から約５．５ミクロンの距離に位置決めされ得る。

幾つかの用途において、波長にかかわらず、標的に対して可能な限り赤外線エネルギーを反射することが望ましい場合もある。そのような場合、反射部材（３００）は、ＣＮＴ部材（２００）により生成される赤外線エネルギーの主波長の相殺的干渉を最小化するのに適切なＣＮＴ部材（２００）からの距離に、位置決めされ得る。例えば、ＣＮＴシートが様々な波長を持つ赤外線エネルギー（多数の放射線は１０ミクロンの波長を持つ）を生成する場合、反射部材は、その主波長の半分に等しい距離に、つまれ、５ミクロンの距離に位置決めされ得る。

他の用途において、特定の波長の赤外線エネルギーがＣＮＴ部材（２００）から発せられた主波長であるかどうかにかかわらず、特定の波長の赤外線エネルギーを反射することが望ましい場合もある。そのような用途において、間隔は、望まれない波長の発せられた赤外線エネルギーをフィルタ処理し（ｆｉｌｔｅｒ ｏｕｔ）、代わりに、加熱される人又は物体の方へと望ましい波長の赤外線エネルギーを主に方向付けるために、ある程度使用されてもよい。

反射部材（３００）とＣＮＴ部材（２００）との間の適切な間隔の判定は、反射されることが望ましい大多数の赤外線エネルギーが発せられるＣＮＴ部材（２００）内の深さの近似値（ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｉｏｎ）を必要とし得る。これは、ＣＮＴ部材（２００）の多くの特性、例えばその厚み、ナノチューブの密度分布、及び中に含まれるナノチューブの均等度に依存し得る。一実施形態において、特にＣＮＴ部材（２００）が非常に薄く及び／又は赤外線エネルギーの望ましい波長を生成する要因となる高密度のタイプのナノチューブを表面に持つ場合、赤外線エネルギー源は、ＣＮＴ部材（２００）の表面で近似され得る。別の実施形態において、例えば、ＣＮＴ部材（２００）がより厚く及び／又はその厚みの中で赤外線エネルギーの望ましい波長を生成する要因となる高密度のタイプのナノチューブを持つ場合、赤外線エネルギー源はＣＮＴ部材（２００）の表面より下で近似され得る。当業者は、本開示の教示に基づき、与えられた用途とＣＮＴ部材（２００）の構造に適切な間隔を認識している。

好ましい実施形態において、方向付けられた赤外線ヒーター（１００）は、望ましい波長範囲で約７０％より高い遠赤外線反射を達成するための適切な材料と間隔で構成されてもよい。様々な実施形態において、間隔は、約８ミクロンと１２ミクロンの間の波長を持つ赤外線エネルギーの相殺的干渉を最小化するように設定され得る。研究により、図２Ｂに示されるように、この範囲内の波長を持つ赤外線エネルギーが人間を熱するのに最も有効であることが示された。もちろん、本開示はそのようなものに限定されるようには意図されておらず、方向付けられた赤外線ヒーター（１００）は、与えられた用途のための任意の適切な波長又は波長の範囲の赤外線エネルギーを生成且つ方向付けるように構成され得る。

幾つかの実施形態において、方向付けられた赤外線放射装置（１００）は、物理的ダメージ、及び要素又は有害な化学物質への曝露からＣＮＴ部材（２００）を保護するためのカバー部材を更に含み得る。カバー部材は、標的の方へと方向付けられる、発せられ且つ反射された赤外線エネルギーを阻害しないように、赤外線エネルギーを十分に通すものでなければならないことを、理解されたい。図７Ｂと８Ｂは、そのようなカバー部材を含む、方向付けられた赤外線放射装置（１００）の実施形態を示す。

ここで図９Ａ－９Ｂと１０Ａ－１０Ｂを参照すると、方向付けられた赤外線ヒーター（１００）は、様々な実施形態において、収束ビーム又は放射線の拡散円錐体（ｄｉｆｆｕｓｅ ｃｏｎｅ）などの、赤外線エネルギーの制御された特性を形成するように形作られ得る。その目的のために、ＣＮＴ部材（２００）、反射部材（３００）、及び（随意に）スペーサー（４００）は、望ましい特性を形成するためにＣＮＴ部材（２００）から発せられた赤外線エネルギーを反射するのに適切な方法で形作られ且つ連結されてもよい。一実施形態において、図９Ａに示されるように、これらのコンポーネントは、円錐体の内部表面を形成するＣＮＴ部材（２００）及び円錐体の外部表面を形成する反射部材（３００）を持つ円錐形ヒーター（１００）を形成するように連結され得る。そのような構成において、反射部材（３００）は、円錐体内にＣＮＴ部材（２００）により発せられた赤外線エネルギーを集中し、且つ円錐体の開放端から加熱される人又は物体の方へそれを方向付ける役目を果たす場合もある。別の実施形態において、図９Ｂに示されるように、ＣＮＴ部材（２００）と反射部材（３００）の位置は、円錐形ヒーターにおいて反転されてもよく、それにより、反射部材（３００）は、拡散する多くの赤外線エネルギーを円錐体の点の外へ及び円錐体の点の方へと方向付ける役目を果たす。もちろん、同様の実施形態は凹型と凸型の他の種類についても想定されている。更なる実施形態において、方向付けられた赤外線ヒーター（１００）は、図１０Ａと１０Ｂに示されるように、その中心の方へと位置付けられる人又は物体の方に赤外線エネルギーを集中させる、或いは、円筒状ヒーター（１００）の周囲に位置付けられる人又は物体の方により多くの拡散するエネルギーを方向付けるように、円筒形状であってもよい。また別の実施形態において、図１Ａと１Ｂに示されるように、方向付けられた赤外線ヒーター（１００）は、ほぼ平らな形状でもよい。そのような実施形態は、表面の前に位置付けられる人又は物体を加熱するために表面に対して垂直に赤外線エネルギーを方向付けるために使用されてもよい。もちろん、これらは単なる例示的な構成であり、当業者は本開示の範囲内で任意数の適切な構成を認識している。

利点と用途
本開示の方向付けられた赤外線ヒーターは、優れた電気伝導を提示する一方、オーム加熱をもたらすのに十分な耐性を持つ。

これらのヒーターは、その低い熱質量により、人又は物体を比較的迅速に加熱することが可能となり、且つ、他の形態のヒーターの多くとは異なり、停止後に長期間にわたり熱い状態にはとどまらない。これにより、これらヒーターの使用に関連した安全上の危険の可能性が減り、これらヒーターが様々な用途に使用され得る精密度をも増強する。

更に、本開示のヒーターは非常に可撓性であり、例えば赤外線加熱の性能を損ねる又は落とすことのない極度の半径（ｅｘｔｒｅｍｅ ｒａｄｉｉ）により湾曲され得る。金属又はセラミックスとは異なり、それらは容易に壊れず又は疲労せず、腐食せず、及び化学物質を通さない。

本明細書に開示される方向付けられた赤外線ヒーターの様々な実施形態は、様々な用途に使用されてもよい。様々な実施形態において、ヒーターは、人間に暖かさを提供するために使用されてもよい。例えば、ヒーターは、日除け、傘、暖房毛布、ボディーラップ、カーシート、自動車のサイドパネル、幼児保育器などに組み込まれ得る。他の実施形態において、ヒーターは、物体を遠隔で加熱するために使用されてもよい。また別の実施形態において、ヒーターは、植物用の成長マットに使用され得る。本明細書に開示されるヒーターにより提供される遠隔赤外線加熱は、加熱される人物体物体を取り囲む空間を加熱することに欠点をもたらすことなく、効果的な加熱の用途を提供する。

本発明は、その特定の実施形態を参照すると共に記載されてきたが、本発明の真の趣旨及び範囲から逸脱することなく、様々な変更が行われ、且つ同等なものが置き換えられ得ることを理解されたい。加えて、多くの修正が、本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく、特定の状況、指標、材料及び物質の組成、処理工程又は複数の工程に順応するように行われてもよい。全てのそのような修正は、本明細書に添付の特許請求の範囲内にあるよう意図される。

Claims (15)

1. 方向付けられた赤外線エネルギーを発するための装置であって、
   電力源からエネルギーを受け取るための入力部；
   電流が電力源からの入力部を介して適用されるときに赤外線エネルギーを発するように構成されている、複数のナノチューブを含むナノ構造部材；
   発せられた赤外線エネルギーの少なくとも一部を遠隔に位置する標的を加熱するためにナノ構造部材に向かう方向に方向付けるように構成された、ナノ構造部材に間接的に連結された反射部材；および
   ナノ構造部材と反射部材との間に位置する１以上のスペーサーであって、各スペーサーがハニカム構造を有する、スペーサー
   を含む、装置。
2. ナノ構造部材が、シートとして扱われる十分な構造的完全性を有する必要な結合力を提供するための隣接したナノチューブ間に十分な数の接触部位を有している連続構造体を形成するために重ねて置かれた複数の混在されたナノチューブを含む、請求項１に記載の装置。
3. ナノ構造部材が、重ねて堆積された不織布のナノチューブの複数の層を含む、請求項２に記載の装置。
4. 不織布の材料が、１平方メートル当たり約１０グラムのナノチューブ面密度を有する、請求項３に記載の装置。
5. 反射部材が、自立性の反射材料である、請求項１に記載の装置。
6. 反射部材が、基板上に堆積された反射材料を含む、請求項１に記載の装置。
7. スペーサーが、遠隔に位置する標的を加熱するための望ましい方向に方向付けられる赤外線の望ましい波長の約２分の１に等しい厚さを有する、請求項１に記載の装置。
8. 遠隔に位置する標的が、人間または動物である、請求項１に記載の装置。
9. 実質的に円筒状または円錐形である、請求項１に記載の装置。
10. 反射部材が、発せられた赤外線エネルギーを装置の中央部分内に集中させるように装置の外面を形成する、請求項９に記載の装置。
11. 反射部材が、発せられた赤外線エネルギーを外向きに方向付けるように装置の内面を形成する、請求項９に記載の装置。
12. 方向付けられた赤外線エネルギーを発するための装置であって、該装置は、
    電流が適用されるときに赤外線エネルギーを発するように構成されている、複数のナノチューブを含むナノ構造部材；
    発せられた赤外線エネルギーの少なくとも一部を遠隔に位置する標的を加熱するためにナノ構造部材に向かう方向に反射するように構成された、反射部材；および
    予め決められた間隔を維持するためにナノ構造部材と反射部材との間に位置するスペーサーであって、ハニカム構造を有するスペーサーを含む、装置。
13. 予め決められた間隔が、遠隔に位置する標的を加熱するための望ましい方向に反射される赤外線の望ましい波長の約２分の１に等しい、請求項１２に記載の装置。
14. 予め決められた間隔が、ナノ構造部材によって発せられた赤外線の主波長の約２分の１に等しい、請求項１２に記載の装置。
15. 方向付けられた赤外線エネルギーを発するための装置であって、
    電力源からエネルギーを受け取るための入力部；
    電流が電力源からの入力部を介して適用されるときに赤外線エネルギーを発することができる、グラフェン、グラファイト、カーボンブラック、または他のカーボンベースの材料の少なくとも１つを含む炭素質部材；
    発せられた赤外線エネルギーの少なくとも一部を遠隔に位置する標的を加熱するために炭素質部材に向かう方向に方向付けるように構成された、炭素質部材に直接的または間接的に連結された反射部材；および
    炭素質部材と反射部材との間に位置する１以上のスペーサーであって、各スペーサーがハニカム構造を有する、スペーサー
    を含む、装置。

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