(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
カーボンナノチューブのマトリクスから作られ、かつ２つの対向する表面と２つの対向する端部を有する、熱伝導部材と、
前記熱伝導部材が熱を発生するのを可能にするように、外部電源からの電流を受容することができる、前記２つの対向する端部の一方に実質的に均一に堆積させた第１のコネクタ部および前記２つの対向する端部の他方に実質的に均一に堆積させた第２のコネクタ部であって、電気および熱の伝送の効率を高めかつ接触抵抗を減少させるように、伝導性に積極的に関与しうる前記熱伝導部材内のカーボンナノチューブの数を、実質的に最大化し、前記熱伝導部材の前記２つの対向する表面のうちの同じ面に堆積させた第１のコネクタ部および第２のコネクタ部と、
前記第１のコネクタ部および前記第２のコネクタ部に、前記熱伝導部材との接触表面領域にわたって実質的に均質な接触を提供するように、前記第１のコネクタ部および前記第２のコネクタ部に付随し、かつ前記熱伝導部材の前記同じ面に位置し、前記カーボンナノチューブ間の空隙に浸透し、前記カーボンナノチューブのマトリクスと常套の熱および／または電気回路システムとの間での効率的な伝導を可能にする、ガラス状炭素の連結機構と、
を有して成る加熱装置。
【請求項２】
前記熱伝導部材の加熱ゾーンの拡張を可能にするように、前記熱伝導部材と結合した熱伝導本体部を更に含む、請求項１に記載の加熱装置。
【請求項３】
前記熱伝導本体部が、炭素黒鉛の織布シート、カーボンナノチューブの織布シート、黒鉛エポキシ材料、他の複合材料、またはこれらの組み合わせの１つから作られている、請求項２に記載の加熱装置。
【請求項４】
前記熱伝導本体部が、炭素黒鉛の不織布シート、カーボンナノチューブの不織布シート、黒鉛エポキシ材料、他の複合材料、またはこれらの組み合わせの１つから作られている、請求項２に記載の加熱装置。
【請求項５】
前記熱伝導本体部が、金属、金属合金、他の任意の熱伝導材料またはこれらの組み合わせの１つから作られている、請求項２に記載の加熱装置。
【請求項６】
前記熱伝導部材全体に組み込まれ、分散している樹脂材料を更に含む、請求項１に記載の加熱装置。
【請求項７】
前記装置からの漏電を最小限にするように、前記熱伝導部材と前記熱伝導本体部との間に絶縁構成要素を更に含む、請求項２に記載の加熱装置。
【請求項８】
前記加熱装置が、他の装置、構造体または構成要素と連結するように構成されて、これに熱を提供する、請求項１に記載の加熱装置。
【請求項９】
前記加熱装置が、装置、構造体または構成要素の内部に組み込まれるように構成されて、これに熱を提供する、請求項１に記載の加熱装置。
【請求項１０】
前記加熱装置が、人工衛星、人工衛星ハウジング、他の人工衛星部品もしくは構成要素、燃料ライン、ロケット、宇宙船、航空機、自動車、電池、モーター、または加熱する必要のある他の任意の構造体もしくは構成要素の１つを含む、装置、構造体または構成要素と連結する、あるいは内部に組み込まれるように構成されている、請求項１に記載の加熱装置。
【請求項１１】
構造体、装置または構成要素の除氷に関連して使用するための、請求項１０に記載の加熱装置。
【請求項１２】
１）カーボンナノチューブのマトリクスから作られ、かつ２つの対向する表面と２つの対向する端部を有する、熱伝導部材と、２）前記熱伝導部材が熱を発生するのを可能にするように、外部電源からの電流を受容することができる、前記２つの対向する端部の一方に実質的に均一に堆積させた第１のコネクタ部および前記２つの対向する端部の他方に実質的に均一に堆積させた第２のコネクタ部であって、電気および熱の伝送の効率を高めかつ接触抵抗を減少させるように、伝導性に積極的に関与しうる前記熱伝導部材内のカーボンナノチューブの数を、実質的に最大化し、前記熱伝導部材の前記２つの対向する表面のうちの同じ面に堆積させた第１のコネクタ部および第２のコネクタ部と、３）前記第１のコネクタ部および前記第２のコネクタ部に、前記熱伝導部材との接触表面領域にわたって実質的に均質な接触を提供するように、前記第１のコネクタ部および前記第２のコネクタ部に付随し、かつ前記熱伝導部材の前記同じ面に位置し、前記カーボンナノチューブ間の空隙に浸透し、前記カーボンナノチューブのマトリクスと常套の熱および／または電気回路システムとの間での効率的な伝導を可能にする、ガラス状炭素の連結機構とを有する加熱器を提供することと、
前記加熱器を、加熱する必要のある装置、構造体または構成要素に取り付けることと、
前記熱伝導部材が熱を発生するのを可能にするように、前記加熱器に電流を導くことと、
所望のレベルまで前記装置、構造体または構成要素を加熱すること
を含む方法。
【請求項１３】
加熱の間、装置、構造体または構成要素の熱膨張に適応するように、加熱器の前記熱伝導部材を拡張させることを更に含む、請求項１２の方法。
【請求項１４】
加熱器を取り付けることが、加熱器を、装置、構造体または構成要素の内側表面に連結させることを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
加熱器を取り付けることが、加熱器を、装置、構造体または構成要素の外側表面に連結させることを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１６】
加熱器を取り付けることが、加熱器を、装置、構造体または構成要素の中に組み込むことを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１７】
加熱器に電流を導くことが、電源を加熱器のコネクタ部に接続することを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１８】
装置、構造体または構成要素を加熱することが、装置、構造体または構成要素を除氷することを含む、請求項１２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、ナノ構造体ベース（またはナノ構造ベース、nanostructure-based material）の装置、より詳細には、ナノ構造材料から製造した加熱器に関する。
【背景技術】
【０００２】
最近の１５年以内で、カーボンナノチューブの特性がより理解されてきたことから、カーボンナノチューブへの関心は研究団体の内外で非常に大きくなっている。これらの特性を利用する１つの鍵は、カーボンナノチューブが広く展開されるように、十分な量のカーボンナノチューブの合成である。例えば、マクロスケールの構造体（すなわち、１ｃｍ以上の大きさを有する構造体）の複合材の高強度部材としてカーボンナノチューブが用いられる場合、多量のカーボンナノチューブが必要となるであろう。
【０００３】
カーボンナノチューブは、高い破断点歪みと比較的高い引張係数（または引張弾性係数）を含む、極めて高い引張強度を有することが知られている。カーボンナノチューブは、また高い電気伝導性および熱伝導性と同時に、耐疲労性、耐照射損傷性および耐熱性を示し得る。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従って、効率的で軽量な装置（例えば加熱器）を、費用効率の良い方法で製造できると同時に、その装置を、他の装置の内部に組み込むことができる、あるいは他の装置と接続して使用することができるように、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）の特徴または特性を利用することができる材料を提供することが望ましいであろう。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
１つの要旨において、本発明は、カーボンナノチューブのマトリクスから作りかつ対向する端部を有する熱伝導部材を、含むことができる加熱装置を特徴とする。コネクタ部が、伝導部材のそれぞれの端部に位置することができ、かつコネクタ部は、伝導部材が熱を発生できるように、外部電源からの電流を受容できる。加熱装置は、コネクタ部に、伝導部材との接触表面領域にわたって実質的に均一な接触を提供するように、コネクタ部に付随した連結機構を更に含むことができる。
【０００６】
以下の特徴の１つ以上を含んでもよい。伝導部材の加熱ゾーンの拡張を可能にするように、熱伝導本体部を伝導部材に連結させることができる。熱伝導本体部は、炭素黒鉛の織布もしくは不織布シート、カーボンナノチューブの織布もしくは不織布シート、黒鉛エポキシ材料、他の複合材料、金属、金属合金、他の任意の熱伝導材料またはこれらの組み合わせの１つから作ることができる。伝導部材全体に組み込まれかつ分散している樹脂材料。装置からの漏電を最小限にするような絶縁構成要素。加熱装置は、別の装置、構造体または構成要素と連結させて、そこに熱を提供するように設計することができる。加熱装置は、装置、構造体または構成要素の内部に組み込んで、そこに熱を提供するように設計することができる。加熱装置は、人工衛星、人工衛星のハウジング、他の人工衛星部品（または部分）もしくは構成要素、燃料ライン、ロケット、宇宙船、航空機、自動車、電池、モーター、または加熱が必要な他の任意の構造体もしくは構成要素の１つを含む、装置、構造体または構成要素と連結するように、あるいはそれらの内部に組み込むように構成することができる。加熱装置を、構造体、装置または構成要素の除氷に関連して使用することができる。
【０００７】
別の要旨において、本発明は、１）カーボンナノチューブのマトリクスから作られ、かつ対向する端部を有する熱伝導部材と、２）伝導部材が熱を発生できるように、外部電源からの電流を受容できる、該伝導部材のそれぞれの端部に配置したコネクタ部と、３）該コネクタ部に、該伝導部材との接触表面領域にわたって実質的に均一な接触を提供するように、コネクタ部に付随する連結機構とを有する、加熱器を提供することを含む方法を特徴とする。該方法は、加熱器を、加熱する必要のある装置、構造体または構成要素に取り付けることを含むことができる。該方法は、伝導部材が熱を発生できるように、加熱器に電流を通すことを含むことができる。該方法は、所望のレベルまで、装置、構造体または構成要素を加熱することを更に含むことができる。
【０００８】
以下の特徴の１つ以上を含んでもよい。加熱の間、装置、構造体または構成要素の熱膨張に適応するように、加熱器の伝導部材を膨張（または拡張、expand）させること。加熱器を取り付けることは、加熱器を、装置、構造体または構成要素の内側表面に連結することを含むことができる。加熱器を取り付けることは、加熱器を、装置、構造体または構成要素の外側表面に連結することを含むことができる。加熱器を取り付けることは、加熱器を、装置、構造体または構成要素の中に組み込むことを含むことができる。加熱器に電流を通すことは、電源を加熱器のコネクタ部に接続することを含むことができる。装置、構造体または構成要素を加熱することは、装置、構造体または構成要素を除氷することを含む。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、本発明の１つの実施形態に従って作ったカーボンナノチューブの電気特性を示す。
【図２】図２は、本発明のカーボンナノチューブの抵抗と温度の関係を示す。
【図３】図３は、本発明の１つの実施形態に係る、磁場の存在下（および非存在下）でのカーボンナノチューブの抵抗対温度の特性を示す。
【図４】図４は、本発明の１つの実施形態に係るカーボンナノチューブの特性を示す。
【図５】図５は、本発明の１つの実施形態に係るカーボンナノチューブの特性を示す。
【図６Ａ】図６Ａ−図６Ｂは、本発明の１つの実施形態に係る、ナノチューブの連続するシートを製造するための化学気相成長システムを示す。
【図６Ｂ】図６Ａ−図６Ｂは、本発明の１つの実施形態に係る、ナノチューブの連続するシートを製造するための化学気相成長システムを示す。
【図７】図７は、本発明の１つの実施形態に係る加熱器を示す。
【図８Ａ】図８Ａ−図８Ｂは、本発明の種々の実施形態に係る、積層複合材シートの頂部または内部に一体にモールドした、カーボンナノチューブベースの加熱器を示す。
【図８Ｂ】図８Ａ−図８Ｂは、本発明の種々の実施形態に係る、積層複合材シートの頂部または内部に一体にモールドした、カーボンナノチューブベースの加熱器を示す。
【図９Ａ】図９Ａ−図９Ｂは、本発明の種々の実施形態に係る、電気的に絶縁された接続システムを示す。
【図９Ｂ】図９Ａ−図９Ｂは、本発明の種々の実施形態に係る、電気的に絶縁された接続システムを示す。
【図１０Ａ】図１０Ａ−図１０Ｄは、本発明の伸張可能な加熱器および種々のナノ構造体ベースの加熱器を示す。
【図１０Ｂ】図１０Ａ−図１０Ｄは、本発明の伸張可能な加熱器および種々のナノ構造体ベースの加熱器を示す。
【図１０Ｃ】図１０Ａ−図１０Ｄは、本発明の伸張可能な加熱器および種々のナノ構造体ベースの加熱器を示す。
【図１０Ｄ】図１０Ａ−図１０Ｄは、本発明の伸張可能な加熱器および種々のナノ構造体ベースの加熱器を示す。
【図１１】図１１は、加熱器を試験するための実験セットアップを示す。
【図１２Ａ】図１２Ａ−図１２Ｂは、本発明の１つの実施形態に係る２つの異なる加熱器の温度分布を示す。
【図１２Ｂ】図１２Ａ−図１２Ｂは、本発明の１つの実施形態に係る２つの異なる加熱器の温度分布を示す。
【図１３】図１３は、本発明の更なる実施形態に係る組み込み加熱器の温度分布を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の１つの実施形態に従って生成したカーボンナノチューブから作った加熱器を、幅広い種々の用途に用いることができる。これら加熱器は、より大きな疲労抵抗、高温（３５０℃）でのより高い有用性、高い耐衝撃性、耐腐食性、紫外線抵抗性、および著しい軽量化を含む、ワイヤベースの加熱器にわたる多くの利点を有する。
【００１１】
本発明の加熱器の製造時に使用するための、カーボンナノチューブのようなナノ構造体を、種々の手法を用いて製造することができる。現時点でナノチューブを成長させるためならびにこれらのナノチューブから作るシートまたはケーブル構造を形成するための複数の方法およびその変形例が存在する。これらは、（１）化学気相成長法（ＣＶＤ）、大気圧近傍または高圧および約４００℃を超える高温で生ずる一般的なプロセス、（２）アーク放電、高度な完璧性(または高い完成度、high degree of perfection)を有するチューブを生じさせることができる高温プロセス、および（３）レーザーアブレーションを含む。
【００１２】
本発明は、１つの実施形態において、ＣＶＤ法、またはカーボンナノチューブを含む適当なナノ構造体を形成するための当該産業において既知の類似の気相熱分解法を用いる。ＣＶＤ法の成長温度は、例えば、約４００℃〜約１３５０℃のような比較的低い範囲とすることができる。本発明の１つの実施形態では、炭素含有試薬ガス（すなわち、ガス状のカーボン源）の存在下でナノスケールの触媒粒子を暴露する（または曝す）ことにより、単層（ＳＷＮＴ）、二層（ＤＷＮＴ）、および多層（ＭＷＮＴ）を含む、カーボンナノチューブが成長できる。とりわけ、ナノスケールの触媒粒子は、既存の粒子を添加することによりもしくは金属−有機物前駆体から粒子をその場合成(in situ synthesis)することにより（または非金属触媒を）炭素含有試薬ガスに導入してもよい。ＳＷＮＴ、ＤＷＮＴ、およびＭＷＮＴが成長可能であるが、場合によっては、その比較的速い成長速度ならびに取扱い、熱伝導性、電気特性および強度に優れた効果を生じ得るロープ状構造を形成する傾向のために、ＳＷＮＴを選択してもよい。他の例において、加熱器のような熱的用途に有利な熱的特性のために、ＤＷＮＴを成長させてよい。
【００１３】
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以上であり得る。留意しなければならないのは、強度は欠陥に敏感であるということである。しかしながら、本発明において作られたカーボンナノチューブの弾性率は欠陥に敏感でないようであり、約１ＴＰａから約１．２ＴＰａまで変化し得る。さらに、本発明では、通常、構造に敏感なパラメータであり得る、これらナノチューブの破断点歪み（または破壊に至る歪み、strain to failure）は、約１０％から最大約２５％の範囲であることが可能である。
【００１４】
さらに、本発明のナノチューブは、比較的に小さな直径を備えることができる。本発明の１つの実施形態では、本発明により作られたナノチューブは、１ｎｍ未満から約１０ｎｍまでの直径を備えることが可能である。
【００１５】
図１〜図３を参照して、本発明のカーボンナノチューブは、所定の特性を示すことができる。図１は、本発明の１つの実施形態に従って作ったカーボンナノチューブの電気特性を示す。図２は、温度と関連させて、これらカーボンナノチューブの抵抗を示す。図３は、磁場の存在下（および非存在下）でのカーボンナノチューブの抵抗対温度の特性を示す。
【００１６】
図４を参照して、本発明のカーボンナノチューブベースの材料を、銅ワイヤによって達成できるよりもより大電力の加熱器の設計および開発に利用してよい。図４に示すように、これらカーボンナノチューブを、実質的に等しい重量または断面積を有する銅ワイヤよりも、より大きな電力および電圧レベルで利用することができる。このように、本発明のカーボンナノチューブ材料を、加熱器の効率および出力を増大させるように利用することができる。
【００１７】
図５を参照して、より大電力の加熱器であることに加えて、本発明のカーボンナノチューブワイヤは、より少ない電流で、より多くの熱を発生させることが可能であろう。以下で図５に示すように、これらカーボンナノチューブワイヤは、等しい重量の銅ワイヤまたは等しい面積の銅ワイヤよりも、実質的により少ない電流で、実質的により多くの量の熱を発生させることが可能であろう。従って、これらカーボンナノチューブから作った加熱器は、銅ワイヤよりも、より少ない電流を用いて熱を発生させる点でより有効でありうる。
【００１８】
・ナノチューブを製造するためのシステム
図６Ａを参照して、米国特許出願１１／４８８，３８７（参照することにより本明細書に取り込まれる）と同様のナノチューブを製造するのに用いるシステム１０を示す。１つ実施形態において、システム１０は、合成チャンバ１１と結合されてもよい。合成チャンバ１１は、概して、内部に反応ガス（すなわち、ガス状のカーボン源）を供給できる入口端部１１１と、ナノチューブ１１３の延長された長さの部分の合成が起こり得る加熱ゾーン(hot zone)１１２と、反応生成物（主にナノチューブと排ガス）を排出および捕集できる出口端部１１４とを含む。合成チャンバ１１は、１つの実施形態では、炉１１６を通って延在する石英管１１５を含んでよい。システム１０により形成されたナノチューブは、一方、個別の単層ナノチューブ、このようなナノチューブの束および／または撚り合わされた単層ナノチューブ（すなわち、ナノチューブのロープ）であってよい。
【００１９】
システム１０は、本発明の１つの実施形態では、実質的に気密で合成チャンバ１１内部から環境への潜在的に有害な浮遊粒子の放出を最小限にすることを意図したハウジング１２を含んでもよい。ハウジング１２はまた、酸素がシステム１０に侵入し、合成チャンバ１１に達するのを防止するように働いてもよい。とりわけ、合成チャンバ１１内の酸素の存在は、結合性（または完全性または一体性、integrity）に影響を与え得ると共にナノチューブ１１３の製造を危うくし得る。
【００２０】
システム１０はまた、ハウジング１２内に位置し、システム１０の合成チャンバ１１内でＣＶＤ法により作られた合成ナノチューブ１１３を捕集することを目的とした移動ベルト１２０を含んでもよい。特にベルト１２０は、その上に捕集されたナノチューブが、続いて、実質的に連続的に延在可能な構造体１２１（例えば、不織布シート）を形成できるように使用してもよい。このような不織布シートは、シートとして取り扱うための十分な構造的結合性を備えた、圧縮され（またはぎっしり詰められ、compacted）実質的に整列していない、混ぜられた(intermingled)ナノチューブ１１３、ナノチューブの束または撚られたナノチューブ（例えば、ナノチューブのロープ）のマトリクスから形成されてもよい。
【００２１】
作られたナノチューブ１１３を捕集するように、ベルト１１２を合成チャンバ１１の出口端部１１４に隣接して配置し、ナノチューブがベルト１２０の上に堆積できるようにしてもよい。１つの実施形態では、ベルト１２０は、図６Ａに示すように出口端部１１４からのガスの流れに実質的に平行に配置してもよい。別の実施形態では、ベルト１２０は、出口端部１１４からのガスの流れに実質的に垂直に配置してもよく、そしてナノ材料を搬送するガスの流れがその中を通ることができる特性を有するように多孔質であってもよい。ベルト１２０は、従来のコンベアベルトと同様に、連続したループとして設計されてもよい。そのためには、１つの実施形態では、ベルト１２０は対向する回転要素１２２（例えばローラー）の周りで輪になってもよく、そして電気モーターのような機械装置により駆動されてもよい。別の実施形態では、ベルト１２０は硬いシリンダーであってもよい。１つの実施形態ではモーターは、張力および速度を最適にできるようにコンピュータまたはマイクロプロセッサのようなコントロールシステムの使用を通じて制御されてもよい。捕集したナノチューブを、ベルト１２０から手動で、あるいは当該技術分野で利用可能な他の任意の手段によって、シートとして取り除いてよい。
【００２２】
図６Ｂを参照して、別の実施形態において、不織布シートの変わりに、製造した単層ナノチューブ１１３を、合成チャンバ１１内部から捕集してよく、その後、糸１３１を形成してよい。より詳細には、ナノチューブ１１３が合成チャンバ１１から出てくると、それらは、捕集されて束１３２となり、スピンドル１３４の吸入端部１３３に送り込まれ、その後、その内部で回転されてまたはねじられて糸１３１となってよい。糸１３１への連続的なねじりは、糸形成プロセスを推進するように、新しいナノチューブ１１３がスピンドル１３４に到達する箇所近傍にて回転を生じさせるのに十分な、角度のついた応力を増大させることができる。更に、糸巻き１３５の周囲を取り囲むように糸１３１を取り込むことができるように、連続的な張力を糸１３１に適用してよい、あるいは捕集チャンバ１３への糸１３１の前進を制御した速度で行ってもよい。
【００２３】
一般的には、糸１３１の形成は、ナノチューブ１１３の束から生じ、その束は、後にきつく回転させられて撚り糸となってよい。別の実施形態では、糸１３１の主撚り部（main twist）をシステム１０内部のある箇所に固定してよく、捕集したナノチューブ１１３を撚り糸１３１に巻き付けてよい。これら双方の成長形態を本願発明と結び付けて実施することができる。
【００２４】
・加熱器
図７を参照して、本発明の１つの実施形態に従った加熱器２０を示す。加熱器２０は、伝導性ナノ構造体ベースの材料から作った伝導部材２１を含む。伝導性ナノ構造体ベースの材料は、１つの実施形態において、例えば、上述したようなカーボンナノチューブなどの不織布ナノ構造材料でできたシートから作ってよい。このようなシートを、必要に応じて、伝導部材２１を提供するように、ストリップに切断してよい。当然ながら、伝導部材２１は、上述したように、ワイヤ、糸、リボンなどのような、カーボンナノチューブ材料から織った織布ナノ構造材料であってもよい。別の実施形態において、伝導部材２１を、炭素、銅、銀、窒化ホウ素、ホウ素、ＭｏＳ２、またはこれらの組み合わせの１つから作ってよい。伝導部材２１を作ることができる材料は、１つの実施形態において、例えば、熱分解炭素被膜黒鉛（pyrograph）ファイバ由来のもののような、任意の種類の黒鉛を含んでもよい。１つの実施形態において、加熱器２０を、二層カーボンナノチューブの不織布シートまたはストリップから製造してよい。
【００２５】
図示するように、加熱器２０は、伝導部材２１の対向する端部のそれぞれに、コネクタ部２２も含んでもよい。本発明の１つの実施形態において、コネクタ部２２は、伝導部材２１のそれぞれの端部に直接堆積(または蒸着)した、電気めっきのようなコーティングであってよい。伝導部材２１上へのコネクタ部２２の蒸着または電気めっきは、当該技術分野で周知の方法を用いて実施してよい。電気めっきしたコネクタ部２２の例は、金、銀、ニッケル、アルミニウム、銅、ビスマス、スズ、亜鉛、カドミウム、スズ−ニッケル合金、銅合金、スズ−亜鉛合金、ビスマス−銅合金、銅−ニッケル合金、カドミウム−ニッケル合金、他の伝導金属およびそれらの合金、またはそれらの組み合わせを含む。１つの実施形態において、１つ以上のコネクタ部２２を、伝導部材２１上のどこに配置してもよい。
【００２６】
１つの実施形態において、コネクタ部２２上の接触表面領域にわたって、伝導部材２１内のナノチューブの実質的に均質な接触を可能にするように、コネクタ部２２を、導電部材２１上に実質的に均一に蒸着または電気めっきしてよい。このようにして、コネクタ部２２は、電気および熱の伝送の効率を高めかつ接触抵抗を減少させるように、伝導性に積極的に関与しうる伝導部材２１内の伝導性ナノ構造体の数を、実質的に最大化するように作用することができる。その目的のために、電源からの、および伝導部材２１によって運ばれる比較的大きな電流を、実質的な劣化なしで、外部回路に向かわせることができる。従って、例えば、ナノスケール環境と常套の熱および／または電気回路システムとの間での熱および／または電気伝導、ならびに常套の熱および／または電気回路システムにて使用するための標準的なコネクタへの伝導によって、加熱器２０を、効率的な相互作用を可能にするように用いることができる。
【００２７】
１つの実施形態において、コネクタ部２２を伝導部材２１と連結する場合、コネクタ部２２は、伝導部材２１によって運ばれてよい電源からの比較的大きな電流が、実質的な劣化なしで外部回路へ向かうのを可能にする。このようにするために、コネクタ部２２と伝導部材２１との接触を向上させるように、加熱器２０は、連結機構２３を更に含んでよい。１つの実施形態において、連結機構２３を、実質的に低い結合抵抗を提供できるガラス状炭素材料から作ってよい。ガラス状炭素は、概してカーボンナノチューブと関係した炭素の形態であってよく、アモルファスカーボンのマトリクスを含むグラフェン状リボン(graphene like ribbon)をかなりの量含むことができる。これらのリボンは、ＳＰ２結合したナノチューブと実質的に同様であり得るＳＰ２結合したリボンを含む。この結果、これらは比較的優れた熱伝導性および電気伝導性を有することができる。ガラス状炭素を作ることができる前駆体物質の例は、フルフリルアルコール、レーゾール樹脂（すなわち、触媒されたアルキルフェニルホルムアルデヒド）、ＰＶＡもしくは液体樹脂または加熱された際にガラス状炭素を形成する既知の如何なる材料を含む。当然ながら、他の市販のガラス状炭素材料または前駆体物質を用いることができる。
【００２８】
更に、連結機構２３は、伝導部材２１に、コネクタ部２２上の接触表面領域にわたってコネクタ部２２への実質的に均質な接触を提供してもよい。この目的のために、連結機構２３は、電気および熱の伝送の効率を向上させるように、伝導性に積極的に関与しうる伝導部材２１内部の伝導性ナノ構造体の数を、実質的に最大化するように作用することができる。例えば、電源からの、および伝導部材２１によって運ばれる比較的大きな電流を、実質的な劣化なしで、外部回路へ向かわせることができる。従って、常套の熱および／または電気回路システムにて使用するための標準的なコネクタへの効率的な伝導を可能にするように、本発明の加熱器２０を用いることができる。特に、例えば、ナノスケール環境と常套の熱および／または電気回路システムとの間での、熱および／または電気伝導によって、加熱器２０は、効率的な相互作用を可能にできる。
【００２９】
１つの実施形態において、構造的な結合性を増大させるように、加熱器２０のコネクタ部２１に、エポキシ、ポリマー樹脂、または別の種類の結合剤を含浸させてよい。
【００３０】
別の実施形態において、不織布カーボンナノチューブまたはナノファイバのシートを、フルフリルアルコール（C5H6O2）のような適当な樹脂材料で被覆してよい。樹脂材料のコーティングは、重なり合うカーボンナノチューブ間の空隙に浸透することができる。用いるフルフリルアルコールの量は、不織布シート内のカーボンナノチューブの量に従って規定してよい。特に、フルフリルアルコール由来の炭素とナノチューブ内の炭素との比率は、１つの実施形態において、約１：１〜約１０：１の範囲であってよい。次に、不織布カーボンナノチューブのシート上のフルフリルアルコールのコーティングは、約５０℃〜約１５０℃の範囲の温度にて、蒸発およびナノチューブ１１と重合させてよい。樹脂材料が重合した形態で得られうる程度までの重合化のための熱への暴露は、必須ではない。次に、不織布カーボンナノチューブを、約１０分間あるいはシートが処理されるまで、少なくとも約３０００ｐｓｉの圧力にて、約１２５℃〜約４５０℃の範囲の熱に暴露してよい。当然ながら、温度、圧力および時間の長さは、選択した樹脂の種類に依存しうる。
【００３１】
別の実施形態において、レーゾール樹脂、ポリアミド、エポキシ、クレイトン（Krayton）、ポリエチレン、またはPEEK（ポリアリールエーテルケトン）樹脂、他の市販の樹脂、またはこれらの組み合わせのようなポリマー樹脂の薄いシート２０を、カーボンナノチューブの不織布シートに配置してよい。次に、不織布シートおよび樹脂を、約１２５℃〜約３５０℃の温度範囲にて、かつ少なくとも約３０００ｐｓｉの圧力にて、約１０分間あるいは樹脂が重なり合うナノチューブ間の空隙に浸透するまで、熱間プレスしてよい。このような方法でプレスすることによって、重なり合うカーボンナノチューブ間の空隙に浸透するように、ポリマー樹脂のシートは軟化および流れてよい。この場合も同様に、温度、圧力および時間の長さは、選択した樹脂の種類に依存しうる。
【００３２】
いずれの実施形態においても、次に、浸透させた不織布シートを、硬化のための熱分解に晒してよい。特に、該シートを、例えば毎分摂氏１度未満など、ゆっくりと上昇する温度に晒してよい。１つの実施形態において、炭素−炭素複合材を形成するように、硬化温度を、少なくとも約１０００℃と約２０００℃との間、より好ましくは約１７００℃まで上昇させてよい。このゆっくりとした加熱速度は、１つの実施形態において、水（即ち、反応の主要な流動性の副生成物）がシートから外へ拡散するのを可能にし、かつシートが硬化して炭素−炭素複合材となるのを可能にする。
【００３３】
得られた硬化シートを、本発明の加熱器２０として使用するために、ストリップに切断してよい。
【００３４】
所望の程度まで、加熱器２０を、１つの実施形態において、複数の不織布カーボンナノチューブシートのような、ナノ構造材料の複数のシートから作ってもよい。この実施形態において、それぞれのシートを、フルフリルアルコール（C5H6O2）のような樹脂材料で被覆してよく、かつ樹脂材料のコーティングは、重なり合うカーボンナノチューブ間の空隙に浸透することができる。次に、シートを互いに積層させてよい。必要であれば、樹脂材料を空隙に浸透させる前に、ナノチューブへの樹脂材料の濡れ（即ち結合）を促進させるように、表面処理プロセスをカーボンナノチューブに適用することができる。このような表面処理は、当該技術分野で周知の方法で実施することができる。
【００３５】
次に、不織布カーボンナノチューブのシートへのフルフリルアルコールのコーティングは、約５０℃〜約１５０℃の範囲の温度にて、蒸発およびナノチューブと重合させてよい。樹脂材料が重合した形態で得られうる程度までの重合化のための熱への暴露は必須ではない。
【００３６】
その後、不織布カーボンナノチューブのシートを互いに結合させて成形体または成形構造体にするように、被覆したシートを熱間プレスしてよい。１つの実施形態において、約１２５℃〜約３５０℃の温度範囲にて、少なくとも約３０００ｐｓｉの圧力で、約１０分間あるいはシート１０が互いに結合するまで、プレスを行なってよい。当然ながら、温度、圧力および時間の長さは、選択した樹脂の種類に依存じうる。
【００３７】
別の実施形態において、レーゾール樹脂、ポリアミド、エポキシ、クレイトン、ポリエチレン、またはＰＥＥＫ（ポリアリールエーテルケトン）樹脂、他の市販の樹脂、またはこれらの組み合わせのようなポリマー樹脂の薄いシート２０を、不織布カーボンナノチューブの隣り合うシートの間に配置してよい。
【００３８】
次に、不織布カーボンナノチューブのシートを互いに結合させて成形体とするように、不織布シートおよび樹脂のこの層状構造体を熱間プレスしてよい。１つの実施形態において、約１２５℃〜約４５０℃の温度範囲にて、および少なくとも約３０００ｐｓｉの圧力で、約１０分間またはシートの結合が起きるまで、プレスを行なってよい。このようなやり方でプレスすることによって、それぞれの不織布シート内の重なり合うカーボンナノチューブ間の空隙に浸透するように、ポリマー樹脂のシートが軟化しておよび流れてよく、かつ成形体または成形構造体を提供するように、不織布シートが互いに結合するのを可能にしてよい。再び、温度、圧力および時間の長さは、選択した樹脂の種類に応じうる。
【００３９】
当然ながら、コーティング手法と同様に、必要があれば、樹脂材料を空隙に浸透させる前に、樹脂材料のナノチューブとの結合を促進させるように、表面処理工程をカーボンナノチューブに適用することができる。このような表面処理を、この場合も同様に、当該技術分野で周知の方法によって実施することができる。
【００４０】
一旦結合すれば、成形体内部の不織布カーボンナノチューブの層状シートを、硬化のための熱分解に晒してよい。特に、成形構造体を、例えば毎分摂氏１度未満のゆっくりと上昇する温度に晒してよい。１つの実施形態において、炭素−炭素複合材を形成するように、硬化温度を、少なくとも約１０００℃〜約２０００℃の間、より好ましくは約１７００℃まで上昇させてよい。このゆっくりとした加熱速度は、１つの実施形態において、水（即ち、反応の主要な流動性副生成物）が成形構造体から外へ拡散するのを可能にし、かつ構造体が硬化して炭素−炭素複合材となるのを可能にする。
【００４１】
所望の程度まで、この硬化または熱分解した炭素−炭素複合材料を、最終製品または最終構造体の形状を有するモールドに、またはモールドの中に熱間プレスしてよく、かつ最終硬化のために更に熱分解させてよい。より詳細には、複合材料を、所望の製品または構造体の形状でアニール（即ち、どのような欠陥も除去）するように、複合材料を、最大約３０００℃の最終傾斜温度（またはランプ温度、ramp temperature）に晒してよい。
【００４２】
得られた単層または積層したシートは、（ｉ）例えば非常に高い周波数信号などの、高周波数伝送のための大電流伝導部材、および（ｉｉ）熱輸送（または熱移動）のための非常に効率的な熱伝導部材として、機能することができる。表１は、ＣＮＴベースの材料の種々の特性を詳細に説明する。
【００４３】
［表１］
表１．ＣＮＴベースの材料の特性
0005968621.tif 000002
【００４４】
図８Ａを参照する、本発明の更なる実施形態に係る加熱器２０である。加熱器２０を、熱伝導性複合材シート３１の１つの表面に結合または、そうでなければ物理的に連結させてよい。加熱器２０を複合材シート３１と連結させることによって、加熱のゾーンを拡張させてよい。複合材シート３１を、例えば、炭素黒鉛および／もしくはカーボンナノチューブの織布または不織布シートのプリプレグシートから作ってよい、あるいは黒鉛エポキシ材料で作ってよい。プリプレグシートは、前述のように結合剤または樹脂材料を浸透させた不織布カーボンナノチューブシートの１枚またはそれより多くの層で、作ってよく、かつ約１２５℃〜約４５０℃の温度範囲まで加熱してよい。複合材シート３１を形成するように、１枚または複数枚のプリプレグシートを、例えば少なくとも約１０００℃と約２０００℃との間、より好ましくは約１７００℃の、毎分摂氏１度未満というゆっくりと上昇する硬化温度に暴露させてよい。このゆっくりとした加熱速度は、１つの実施形態において、水（即ち、反応の主な流動性副生成物）が成形構造体から外へ拡散するのを可能にし、かつ構造体が硬化して複合材料となることを可能にする。
【００４５】
所望の程度まで、この硬化または熱分解させた複合材を、最終製品または最終構造体の形状を有するモールドに、またはモールドの中に熱間プレスしてよく、かつ最終硬化のために、更に熱分解させてよい。具体的には、所望の製品または構造体の形状で複合材をアニールする（即ち、どのような欠陥も除去する）ように、複合材を、最大約３０００℃の最終傾斜温度に晒してよい。
【００４６】
１つの実施形態において、ガラス状炭素、エポキシ、または当該技術分野にて既知の他の接着および結合方法を用いることによって、加熱器２０を複合材シート３１に取り付けることができる。加えてまたは代わりに、加熱器２０を、貫通式締結部(またはスルーファスナ、through fastener）、グロメットなどのような機械的手段を含む、熱間プレス、真空バッギング（vacuum bagging）、オートクレーブ法、または当該技術分野において既知の他の任意の手段によって取り付けることができる。１つの実施形態において、例えばポリアミドで作ったシート（図示せず）などの、絶縁セパレータを、加熱器２０と複合材シート３１との間に配置してよい。１つの実施形態において、絶縁セパレータの包含を可能にするように、加熱器２０と複合材シート３１との間に、プリプレグシート以外の材料を用いてもよい。
【００４７】
図８Ａを更に参照して、加熱器２０に接続したコネクタ部２２は、複合材シート３１の縁部と同一平面であってよく、あるいは複合材シート３１から外へ延在していてもよい。コネクタ部２２は、銅、銅−ニッケル、または他の適当な金属もしくは合金であってよい。コネクタ部２２を、機械的手段を含む、当該技術分野にて既知の任意の手段によって、複合材シート３１に貫通留め（through-fastened）してよい。更なる実施形態において、複合材シート３１と結合した１つより多くの加熱器２０が存在してよい。複合材シート３１は、熱伝導性を有し、加熱器２０によって提供された熱を複合材シート３１全体に伝導し、その結果、加熱のゾーンを拡張する。
【００４８】
図８Ｂを参照する。本発明の更なる実施形態に係る加熱器２０である。加熱器２０を、例えば炭素黒鉛、または炭素エポキシプリプレグシートなどの、積層複合材シート３１内部で積層させてよい。１つの実施形態において、加熱器２０を、複合材シートの複数の層の間に配置することができ、その後、上述したように互いに結合させてよい。
【００４９】
別の実施形態において、積層操作は、真空バッギング、熱間プレス、またはオートクレーブ法を含んでよい。熱伝導複合材シート３１は、組み込まれた加熱器２０からの熱エネルギーを広げるように作用することができる。加熱器２０は、複合材シート３１の層間に配置されているため、伝導部材２１へのエネルギーの適用を可能にするために、コネクタ部２２は、複合材シート３１の縁部から延在してよい。コネクタ部２２は、１つの実施形態において、電気めっきしたニッケルおよび／または銅、または他の任意の適当な伝導金属もしくは合金であってよい。別の実施形態において、複合材シート３１内部に組み込まれた１つより多くの加熱器２０が存在してよい。
【００５０】
複合材シート３１は、モールド操作前に、樹脂を含有する、あるいは樹脂の十分な補完を組み合わせた、炭素質材料でできたプリプレグシートであってよい。プリプレグシートは、モールド操作前に、ビスマレイミド樹脂（ＢＭＩ）、ポリイミド樹脂、または別の硬質のエポキシを含有する、あるいはそれと結合している、炭素複合材、炭素黒鉛および／またはカーボンナノチューブのシートであってもよい。１つの実施形態において、プリプレグシートおよび／または複合材シート３１を、任意の市販の原料から得てよい。
【００５１】
例えばカーボンナノチューブから作った複合材シート３１を開示しているが、当然ながら、加熱器２０からの熱を広げることができる、例えば金属などの、任意の熱伝導材料を用いてよい。
【００５２】
１つの実施形態において、漏電を最小限にするように、加熱器２０に絶縁された電気接続を提供してよい。図９Ａの分解図を参照して、加熱器２０は、例えばポリアミドシートである絶縁シート４１上に位置している。複合材シート３１は、絶縁シート４１の下に位置する。加熱器２０を利用する前に、絶縁貫通通路４５を収容するように、複合材シート３１、絶縁シート４１、および加熱器２０にあらかじめ穴を空けてよい。加熱器２０は、開口部４３を形成するように、絶縁貫通通路４５のフランジ直径よりも僅かに大きい、取り付けられたコネクタ部２２から除去した領域を有してよい。例えばルーロン（またはルーロン樹脂、Rulon）で作ったものなど、電気的に絶縁された貫通通路４５を、開口部４３に挿入してよく、かつ該通路は、加熱器３０の対向する側で、電気的に絶縁された座金４７に係合する。
【００５３】
真ちゅうボルト４０１を、貫通通路４５および座金４７を通して挿入して、該ボルトは、真ちゅうナット４０３に係合してよい。ボルト４０１のためのナット４０３は、短絡を防ぐように、その下部に配置した電気絶縁４７座金を有してよい。ボルト４０１をブロック４０５を通して挿入することによって、銅接点ブロック４０５を、加熱器２０に係合させることができる。銅接点ブロック４０５は、貫通通路４５を覆って配置してよい。電気的に絶縁された接続のためのここで説明した材料を、当該技術分野において既知の他の任意の適当な材料、金属、または合金で作ってもよい。
【００５４】
図９Ｂを参照する。絶縁された電気接続システムの断面図である。銅接点ブロック４０５は、電気絶縁貫通通路４５のフランジを通り過ぎるように、機械加工した小さな隙間領域を有し、かつ加熱器２０のコネクタ部２２に接触するのを可能にしてよい。
【００５５】
加熱器と電気的に絶縁された接続を作る方法は、以下のようであってよい：絶縁シート４１を、複合材シート３１上に置くことができ；かつ貫通通路４５が双方の穴を通って配置されている。次に、加熱器２０を、エポキシを適用しかつ硬化させたシステム全体にわたって置いてよい。
【００５６】
１つの実施形態において、加熱器２０を伸張可能であるようにしてよい。アダプタの対向する端部から軸方向に引っ張る場合、加熱器５０が、例えば長さ方向に（即ちＸ軸に沿って）、伸張または拡張するのを可能にするように（図１０Ｂ参照）、伝導部材５１は、図１０Ａ−図１０Ｂに図示したものを含む、種々のパターンを付与またはエッチングされてよい。加熱器５０の拡張性は、装置の熱膨張に適応してよい。例えば、加熱を必要とする装置に関する熱膨張係数および加熱器５０のそれは、加熱器５０が、温度変化の間中、装置と共に「伸張する」必要があるようなものであってよい。
【００５７】
図１０Ｃは、伸張可能な加熱器と、伸張する能力を付与されていない加熱器との対照比較を示す。
【００５８】
シートとして開示してきたが、当然ながら、１つの実施形態では、加熱器２０を、図１０Ｄに示すように、カーボンナノチューブのようなナノ構造材料から作った、糸、リボン、ケーブル、テープなどから作ることもできる。
【００５９】
・ドーピング
抵抗を減少させ、それによって、本発明のナノチューブのシートまたは糸の熱伝導性を増加させるための方策は、ナノチューブ成長過程の間に、微量の外来原子（即ちドーピング）を導入することを含む。このようなアプローチは、１つの実施形態において、当該技術分野において利用可能な既知の任意の手順を採用することができ、かつ本発明の成長プロセスに組み込まれることができる。
【００６０】
ＣＮＴ材料およびドーパントの特性に応じて、加熱器２０の熱伝導性は、約４０ワット／ｍ-°Ｋ〜約１２０ワット／ｍ-°Ｋの範囲である。
【００６１】
別の実施形態において、抵抗を減少させるように、捕集したナノチューブのシートまたは糸の成長後ドーピングを利用することもできる。Ｎ２環境にて約１５００℃まで最大約４時間、ナノチューブのサンプルを加熱することによって、成長後ドーピングを達成してよい。更に、これらの温度にて、Ｂ２Ｏ３のるつぼ上に、カーボンナノチューブ材料を配置することは、材料のホウ素ドーピングも可能にし、それを、ＢｘＮｙＣｚナノチューブを形成するように、Ｎ２と共に行なうことができる。
【００６２】
個々のナノチューブの抵抗を減少させる効果を有することを示した外来元素の例は、限定するものではないが、ホウ素、窒素、ホウ素−窒素、オゾン、カリウムおよび他のアルカリ金属、ならびに臭素を含む。
【００６３】
１つの実施形態において、カリウムをドープしたナノチューブは、ドープしていない最初のナノチューブの抵抗に対して、概ね１桁減少する。ホウ素ドープも、ナノチューブの特性を変化させうる。例えば、ホウ素ドープは、本来ｎ型のナノチューブにｐ型の挙動を導入することができる。特に、ホウ素源としてＢＦ３／ＭｅＯＨを用いる、ホウ素が介在する成長は、ナノチューブの電気特性に重要な影響を及ぼすことが観察されている。ナノチューブのホウ素ドーピングに有用な他の潜在的な起源、限定するものではないが、Ｂ（ＯＣＨ３）３、Ｂ２Ｈ６およびＢＣｌ３を含む。
【００６４】
本発明の１つの実施形態に関連して使用するためのドーパントの別の起源は、窒素である。窒素ドーピングを、メラミン、アセトニトリル、ベンジルアミンもしくはジメチルホルムアミドを触媒または炭素源に添加することによって行なってよい。窒素雰囲気下にてカーボンナノチューブ合成を実施することも、少量のＮ−ドーピングをもたらすことができる。
【００６５】
当然ながら、ナノチューブから作った糸またはシートに、ホウ素のようなｐ型ドーパントをドープする場合、ゼーベック値および他の電気特性は、真空においてｐ型を維持し得る。他方、糸またはシートに、窒素のような強いｎ型ドーパントをドープすることによって、ナノチューブは、大気条件下であっても、負のゼーベック値、および他のｎ型電気特性を示すことができる。
【００６６】
・加熱器の操作および用途
加熱する必要のある任意の装置、構造体および構成要素を加熱するために、コネクタ部２２に電流を流した場合、加熱器２０は、加熱機構として作用することができる。加熱器２０を、上述した実施形態のいずれかにおいて、その場で用いることができる、即ち、加熱器は、装置内部に組み込まれていてよい。言い換えると、加熱器２０を結合、接着、係合、または別の方法で一体化させ、装置内部に組み込んでもよい、あるいは製造の間に、装置内部に組み込んでよい。加熱器２０を、装置の外側表面または内側表面に、当該技術分野において既知の任意の手段によって、結合、接着、係合、または他の方法で接続させてもよい。このような装置は、例えば金属、金属合金、黒鉛エポキシ、複合材などの、加熱できる任意の材料であってよい。
【００６７】
例えば、加熱器２０は高い可撓性を有すことができ、かつ例えば、破断および熱伝導性の譲歩なしに、極端な（または非常に厳しい）半径で曲げることができる。更に、加熱器２０は、平坦な、湾曲した、凹状の、凸状の、または不規則な形状の表面に接触して、上に、または内部に配置することができる。
【００６８】
加熱器２０は、正方形、円、三角形、矩形、五角形、および不規則な形状を含む、任意の幾何学的な形状であってよい。加熱器２０を、複雑な形状および厳密な（または精密な）仕様へレーザー切断してもよい。多種多様な加熱器２０の形状は、製造中に装置内部に、または装置の外側もしくは内側表面に、加熱器２０を設置するのを可能にする。
【００６９】
加熱器２０を電源に接続する配線を設けてよい。加熱器への電力は、交流電流または直流電流であってよい。加熱器２０のオンオフを切り替える電圧制御機構も、本出願の技術的範囲内であり、電圧制御機構は、電圧調節および過熱安全スイッチを提供する。温度センサを、加熱器２０へ流れる電流を調節するように設けてよい。電圧、電流、周波数、温度および加熱の調節を、マイクロプロセッサによって、またはコンピュータ化されていない手段によって制御してよい。加熱器２０を、直列（即ち連続して）および／または並列に接続してよい。加熱器２０は、非常に大きい電力および瞬時の「オン」に耐えることができる、即ち、加熱器２０は、加熱器への電圧を徐々に増加させることによって上昇させられる必要はなく、「コールドスタート（または冷えた状態での始動）」からの全電圧に耐えうる。
【００７０】
加熱器を装置内部に組み込む場合、または別の方法で、構成物質としてエポキシを有する場合、加熱器２０への電力は、単にエポキシの熱耐性によって制限されてよい。加熱器２０を含むカーボンナノチューブベースの材料は、耐腐食性を有するまたは腐食の影響を受けない傾向がある。
【００７１】
航空、宇宙、自動車、鉄道、工業、医薬、建築、住宅、消費財、および食品に関係する分野におけるものを含む、多くの装置、構造体、または構成要素を、加熱器２０によって加熱してよい。これら装置、構造体または構成要素の幾つかの例は、限定するものではないが、人工衛星、人工衛星ハウジング、他の人工衛星部品または構成要素、燃料ライン、ロケット、宇宙船、航空機、自動車、電池、モータまたは加熱する必要のある他の任意の構造体もしくは構成要素に関連するものを含む。
【００７２】
本発明の加熱器の利点および特有の特徴は、軽量、耐疲労性、高温（例えば約３５０℃）に耐える能力、耐衝撃性または衝撃の影響を本質的に受けないこと、ならびに一般的に用いられるエポキシ、複合材料、金属、または熱に耐えることができる任意の材料との互換性を含む。加えて、本発明の加熱器は、容易に製造されることができ、軽量であることができ、かつ大電力を取り扱うことができる。
【００７３】
電流をコネクタ部２２に流す場合、例えば、図７に示すようなＣＮＴ加熱ストリップなどの加熱器２０は、加熱器として機能するだろう。加熱器２０をその場で用いることができる、即ち、加熱器は、構造体または黒鉛エポキシ材料のような複合材料の内部に組み込まれていてよい。加熱器２０は、構造体もしくは複合材料の外側表面、あるいは構造体もしくは複合材料の内側表面に結合、接着、係合させてもよい。
【００７４】
加熱器２０または複数の加熱器２０を、例えば黒鉛エポキシ材料内に、または任意の構造体内部に組み込む場合、コネクタ部への配線を設けることができる。組み込み加熱器２０への選択される結合剤は、例えば、ビスマレイミド（ＢＭＩ）樹脂、ポリイミド樹脂もしくは硬化エポキシ、または他の任意の市販の樹脂であってよい。当然ながら、本発明のＣＮＴベースの加熱器２０の熱膨張係数（ＣＴＥ）は、多数のエポキシまたは複合材料に匹敵しうる。このように、本発明のＣＮＴベースの加熱器２０は、本明細書に記載の多数の用途に適当でありうる。更に、比較的大きな電力の加熱器２０を、実質的に剥離のないようなやり方で、黒鉛エポキシ材料、複合材料または他の基材に結合させることができ、かつ結合プロセスを標準的な製造プロセスに容易に組み込むことができる。加熱器２０を結合させる基材の種類は、基材の熱伝導性に基づいて、複数の加熱器２０の間の間隔に影響を与え得ることに留意すべきである。
【００７５】
１つの実施形態において、加熱目的のために、加熱器２０または組み込み加熱器２０の十分な表面積を備えてよい。更なる実施形態において、加熱の必要のある、種々の装置、構造体または構成要素の表面を加熱するために、加熱器２０および／または組み込み加熱器２０の十分な表面積を備えてよい。しかしながら、当然のこととして、装置、構造体または構成要素の、その場に、外部に、または内部に配置するかどうかに関わらず、加熱器２０および／または組み込み加熱器２０の密度および配置は、氷結防止または除氷をもたらすように、急速な加熱を可能にすることができる。
【００７６】
本出願のＣＮＴベースの加熱器２０は、以下の仕様に基づく加熱器形状を有してよい。例えば、１００〜１５０μｍの厚さを有する加熱器２０は、加熱器２０の１平方インチあたり１〜４ワットまたはそれより多くを発生させることができる。より厚みのある組み込み加熱器２０は、１平方インチあたり２０ワットまたはそれより多くを発生させることができる。加熱器２０または組み込み加熱器２０への電力供給は、４４０Ｖの３相ＡＣ電力であってよい。更なる実施形態において、電源は、ＤＣ、および／またはより低い電圧のものであってよい。
【００７７】
本発明の加熱器の設計、軽さおよびシンプルさのおかげで、加熱器２０または組み込み加熱器２０が損傷した場合、損傷した加熱器を、損傷した部分を削り取って除去することによって入れ替えることができ、例えば、エポキシが、置換加熱器３０を既存の構造体の中に結合させる。修理および置き換えを、より問題なく、その場で、または現場で行なってよい。
【００７８】
本発明の加熱器２０は、頑丈で、ＵＶ抵抗性を有し、および／または耐衝撃性を有してもよく、その結果、加熱器を、過酷な気象環境条件または種々の環境条件に暴露されうる装置、構造体または構成要素の外側に配置することができる。組み込み加熱器２０を装置、構造体または構成要素の外側に配置する利点は、加熱がほとんど即座であることである。
【００７９】
加熱器２０を、装置、構造体または構成要素の内部に配置または組み込んでもよい。このようにすることによって、組み込み加熱器２０を、それに衝突する物体から実質的に保護する。組み込み加熱器に関して、組み込み加熱器２０を、１つ以上の電源に接続するために、リード線または配線を通すように、装置、構造体または構成要素内に穴が必要であり得る。更に、加熱器２０が連結または組み込まれている幾つかの材料に関するＺ方向の低い熱伝導性が、より高い組み込み加熱器２０温度を要求してよいと同時に、特定の基材材料の面内伝導性は、比較的高い可能性があり（例えば黒鉛エポキシ）、その結果、加熱器２０からの熱は、低い温度のホットスポットを有する基材材料の平面内で消散するであろうことに留意する必要がある。
【００８０】
加熱器２０のための種々の実施および試験手順を、以下の実施例に示す。
【実施例】
【００８１】
実施例１
加熱器２０を、不織布カーボンナノチューブシートから製造した。矩形ストリップおよび放物線状の輪郭を有するストリップを、加熱器として試験した。ストリップの端部を、ニッケル、次に銅によって電気めっきした。電気めっきは、電気入力のための低い抵抗の接点を形成した。
【００８２】
次に、加熱器ストリップを空気中にて支持し、電気を通して、それらの加熱特性を試験した（図１１参照）。大電力（４０Ｖ、２５Ａ）ＤＣ電源を用いて、入力電力を供給した。電流計を直列に取り付けて、回路内の電流を測定した。電圧計を電力入力部に取り付けて、ストリップに亘る電圧降下を測定した。温度分布を、Ｗａｈｌ社のＨＳＩ３０００ ＨｅａｔＳｐｙ（登録商標）の熱探知カメラによって収集した。次に、ストリップを種々の電力にて加熱して、定常状態の温度および温度均一性を測定した。ストリップは、空気に完全に露出しているため、チューブは、３００℃以上の温度で酸化する可能性がある。従って、温度を２００℃に制限した。ストリップの温度分布は、拡張不可能な加熱器（図１２Ａ）および拡張可能な加熱器（１２Ｂ）に関して非常に均一であることが分かった。
【００８３】
実施例２
組み込み加熱器の試験は、空気中にて加熱器ストリップの試験のために用いたセットアップと非常に類似していた。電気を、大電力（４０Ｖ、２５Ａ）のＤＣ電源によって供給し、電流を、直列の電流計で測定し、ならびに電圧を、電気入力部に取り付けた電圧計で測定した。温度を、再びＷａｈｌ社のＨＳＩ３０００の熱カメラで測定した。材料の放射率を、Ｋ型熱電対を用いることによって測定した。温度プロファイルを、定常状態に到達した後まで一定の時間の割合で、ＰＣにデータ記録した。複合材／加熱器構造体を、底部に取り付けたクランプによって空気中にて垂直に保持した。
【００８４】
銅ブロックを加熱器の銅部上にボルト締めすることによって、電気接触を行なった。ボルトは、構造体全体を貫通しており、真ちゅうで作られていた。リング端子を、銅ブロックと接触しているボルトに直接取り付けた。
【００８５】
実施例３
ＣＮＴ加熱器ストリップを複合構造体の中に組み込むように、幾つかの異なる技術を試した。ＣＮＴ加熱器ストリップ材料とＣｙｃｏｍ  ９９７／黒鉛  エポキシとの複合構造体を、１８０℃および５０ｐ．ｓ．ｉ.にて熱間プレスで作った。プリプレグの単層を、ＣＮＴ材料の単層と結合させた。結果は、エポキシのＣＮＴ材料内への浸透および２つの材料間の良好な付着を示す。
【００８６】
実施例４
ＣＮＴ加熱器を作り、複合材料の層間に組み込んだ。組み込み加熱器を、１８０℃および５０ｐ．ｓ．ｉ.にて、熱間プレスで硬化させた。図１３は、ＩＭ７ファイバ複合材から作った組み込み加熱器の温度分布を示しており、加熱器は４層複合材（または４−ｐｌｙ複合材）の間にあり、かつ０．３Ｗ／ｃｍ２の入力電力を受容する。層１と層２との間に位置しているＣＮＴ加熱ストリップにより加熱するように、４層の０℃〜９０℃のＩＭ７複合材を実験した。従って、結合材料としてプリプレグを用いる別の手法は、複合材とＣＮＴ加熱ストリップとの間に、黒鉛複合材および絶縁層を用いることであってよい。
【００８７】
実施例５
別の手法では、組み込み加熱器は、エポキシおよび絶縁システムを用いて、ＣＮＴ加熱器を８層複合材（または８−ｐｌｙ複合材）と結合させ、かつ電気的に絶縁させた。これら実験のために用いたエポキシは、ＥＰＯＮ８６２であり、かつ硬化剤としてＥＰＩＫＵＲＥ Ｗを１００：２４の割合で混合したものであった。次に、エポキシをアセトンで１：１に希釈して、粘性をより低くし、適用を平易にした。複合材を、５０ｐ．ｓ．ｉ.、１７７℃にて３時間の熱間プレスまたは１７７℃で３時間の真空バッグのいずれかで硬化させた。２つの硬化手順の間に違いは見られなかった。
【００８８】
定常状態に関してサンプルを試験する場合、加熱器を、一定電流条件下で制御し、温度が数分間安定するまで運転させる。入力電力を、加熱器サイズによって標準化した。２５０℃の温度限定を全ての実験に用いた。加熱器への典型的な電力入力は、２０Ｗ未満であった。しかしながら、１００Ｗを超える電力入力を実証した。定常状態温度は、約８３℃で、サンプルの裏側の中心部で示された。サンプルは、１分未満で６０℃に、約４分で８０℃に達したことも観察された。この場合の絶縁体は、紙である。
【００８９】
実施例６
ＣＮＴ加熱器の大電力能力を実証するために、実施例５と同じ加熱器を、１１２Ｗで加熱した。これは、８．４Ｗ／ｃｍ２の電力密度を有する。電流入力および電圧入力は、それぞれ７．５Ａおよび１４．９Ｖであった。この大電力においてさえも、漏電は見られなかった。これらの条件下で、サンプルの裏側の中心部は、１５秒未満で１００℃に達した。この温度は、約８０秒で２２５℃に達した。このシステムにおける唯一の冷却は、自然対流であった。
【００９０】
抵抗が、調査した温度範囲（室温〜２２５℃）にわたって非常に線形であることも観察された。電力入力は、０〜７８Ｗであった。
【００９１】
実施例７
電気貫通通路とＣＮＴストリップの双方を複合材から絶縁する、電気絶縁システムを提供した。使用したセパレータは、短絡を避けるのに十分な電気抵抗を有すると同時に、熱の移動を可能にするように高い熱伝導性を有した。絶縁体として、０．００４インチの紙および０．００１インチのポリアミドのセパレータの使用は、首尾よく実証された。適切な絶縁を確実に達成するように、第１分離サンプルをクリップで留めて(with clips)試験した。比較的大きな電流（例えば３Ａよりも大きい）にて、小さな局所的な黒鉛加熱は、取り付け箇所にて起こり得た。これは、黒鉛と絶縁されていないクリップの裏側に起因しうる。双方のセパレータを、ＥＰＯＮ８６２エポキシを用いて複合材に取り付け、ＣＮＴストリップを同じエポキシを用いて頂部に取り付けた。黒鉛の熱的特性と比較すると、双方の材料のセパレータの熱抵抗は、無視できるほどであるように思われる。
【００９２】
本発明は、これらの特定の実施形態を参照して説明されているが、本発明の真の精神および範囲から逸脱することなく、様々な変更を行うことができ、均等物による置換が可能であることが、当業者により理解されるべきである。加えて、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、特定の状況、指示、物質の材料および組成、方法の１または複数の工程に適用するように多くの改良を行い得る。全てのこのような改良は、本願に添付の特許請求の範囲内であることが意図されている。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【図１０Ｄ】
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【図１１】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３】
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