(57)【要約】      （修正有）【課題】熱交換装置に関し、特に、輻射式加熱装置により暖められた空間内に、よりたくさんの均一的効率的な熱流量を供給する輻射式加熱装置を提供する。【解決手段】特に部屋用の熱交換装置であって、表面を有する熱素子と、剥離グラファイトの圧縮粒子からなる少なくとも１枚のシートからなるヒートスプレッダとが設けられている。前記シートは、密度が０．６ｇ／ｃｃ以上とされ、且つ、厚みが１０ｍｍ未満とされる。前記ヒートスプレッダには第一面と第二面とが設けられている。また、該ヒートスプレッダの第一面が前記熱素子の表面の一部と熱的に接触すると共に、該ヒートスプレッダが少なくとも部分的に前記熱素子の周囲を覆うように、前記ヒートスプレッダが設けられている。【選択図】図１
0003164431.tif 000002
【実用新案登録請求の範囲】
【請求項１】
表面を有する熱素子と、剥離グラファイトの圧縮粒子からなる少なくとも１枚のシートからなるヒートスプレッダと、を設けた熱交換装置であって、
前記シートの密度が０．６ｇ／ｃｃ以上とされ、
前記シートの厚みが１０ｍｍ未満とされ、
前記ヒートスプレッダには、第一面と第二面とが設けられ、かつ、
前記ヒートスプレッダの第一面が前記熱素子の表面の一部と熱的に接触すると共に、前記ヒートスプレッダが少なくとも部分的に前記熱素子の周囲を覆うように、前記ヒートスプレッダが、前記熱素子に対して配置されている
ことを特徴とする熱交換装置。
【請求項２】
前記熱交換装置には、前記熱素子を収容する寸法に形成された溝を有する基板が設けられ、
前記ヒートスプレッダが前記熱素子と前記基板との間に位置するように、前記基板が、前記ヒートスプレッダの第二面の近くに配置され、かつ、
前記基板の熱伝導率が、２．０Ｗ／（ｍ・Ｋ）よりも小さいとされている
ことを特徴とする請求項１に記載の熱交換装置。
【請求項３】
前記ヒートスプレッダが、第一構成要素と第二構成要素とからなる二つの構成要素を有し、かつ、
前記ヒートスプレッダの第一構成要素が、前記熱素子と前記基板との間に配置されている
ことを特徴とする請求項２に記載の熱交換装置。
【請求項４】
前記ヒートスプレッダの第一構成要素がアルミニウムで構成されていることを特徴とする請求項３に記載の熱交換装置。
【請求項５】
ソーラーパネルを備えたことを特徴とする請求項１に記載の熱交換装置。
【請求項６】
前記ヒートスプレッダの第二構成要素が前記熱素子と前記基板との間に位置しないように、前記ヒートスプレッダの第二構成要素が、前記溝全体に延びるように設けられていることを特徴とする請求項３に記載の熱交換装置。
【請求項７】
溝を有する基板と、剥離グラファイトの圧縮粒子からなる少なくとも１枚のシートからなるヒートスプレッダと、を設けた熱交換装置であって、
前記シートの密度が０．６ｇ／ｃｃ以上とされ、
前記シートの厚みが１０ｍｍ未満とされ、
前記ヒートスプレッダが前記基板の溝内に延びるように配置されることによって形成された前記基板と前記ヒートスプレッダとで構成される溝が設けられ、かつ、
前記基板と前記ヒートスプレッダとで構成される溝が、熱素子を収容する寸法に形成されている
ことを特徴とする熱交換装置。
【請求項８】
前記ヒートスプレッダが、第一構成要素と第二構成要素とからなる二つの構成要素を有し、かつ、
前記基板と前記ヒートスプレッダとで構成される溝が、前記ヒートスプレッダの第一構成要素と前記基板とから形成されている
ことを特徴とする請求項７に記載の熱交換装置。
【請求項９】
前記ヒートスプレッダの第一構成要素がアルミニウムから構成されていることを特徴とする請求項８に記載の熱交換装置。
【請求項１０】
第一表面と第二表面とを有する構造要素と、前記構造要素の第二表面の近くに設けられた熱素子と、剥離グラファイトの圧縮粒子からなる少なくとも１枚のシートからなるヒートスプレッダと、を設けた熱交換装置であって、
前記熱素子が、前記構造要素の第二表面寄りに配置された部分と該構造要素から離れた位置に配置された部分と、を有し、
前記構造要素の第二表面と前記熱素子との両方とに熱的に接触するように、前記ヒートスプレッダが配置され、かつ、
前記ヒートスプレッダと、前記熱素子の構造要素から離れた位置に配置された部分と、が、熱的に接触するように構成されている
ことを特徴とする熱交換装置。
【請求項１１】
前記ヒートスプレッダが二つの構成要素を有し、
前記二つの構成要素のうちの一つの構成要素と、前記熱素子の構造要素から離れた位置に配置された部分と、が、熱的に接触するように構成されている
ことを特徴とする請求項１０に記載の熱交換装置。
【請求項１２】
前記剥離グラファイトの圧縮粒子からなる少なくとも１枚のシートの密度が０．６ｇ／ｃｃ以上とされることを特徴とする請求項１０に記載の熱交換装置。
【請求項１３】
前記剥離グラファイトの圧縮粒子からなる少なくとも１枚のシートの面内熱伝導率が１４０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上とされることを特徴とする請求項１０に記載の熱交換装置。
【請求項１４】
第一表面と第二表面とを有する構造要素が設けられた部屋と、前記構造要素の第二表面の近くに設けられた熱素子と、剥離グラファイトの圧縮粒子からなる少なくとも１枚のシートからなるヒートスプレッダと、を設けた部屋用輻射式加熱装置であって、
前記第一表面が、前記部屋の床、壁、又は天井のうちの少なくとも一つとされ、
前記熱素子が、前記構造要素の第二表面寄りに配置された部分と該構造要素から離れた位置に配置された部分と、を有し、
前記シートの密度が０．６ｇ／ｃｃ以上とされ、
前記シートの面内熱伝導率が１４０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上とされ、
前記構造要素の第二表面と前記熱素子との両方と熱的に接触するように、前記ヒートスプレッダが配置され、かつ、
前記ヒートスプレッダと、前記熱素子の構造要素から離れた位置に配置された部分と、が、熱的に接触するように構成されている
ことを特徴とする輻射式加熱装置。
【請求項１５】
前記ヒートスプレッダが二つの構成要素を有し、
前記二つの構成要素のうちの一つの構成要素と、前記熱素子の構造要素から離れた位置に配置された部分と、が、熱的に接触するように構成されている
ことを特徴とする請求項１４に記載の輻射式加熱装置。
【考案の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本考案は、改善された熱交換装置に関し、特に、輻射式加熱装置により暖められた空間内に、よりたくさんの均一的効率的な熱流量を提供する輻射式加熱装置に関する。具体的には、本考案に係る輻射式加熱装置により、剥離グラファイトの圧縮粒子からなる少なくとも１枚のシートからなるヒートスプレッダが提供され、該ヒートスプレッダは、熱素子の性能を改善するために、輻射式加熱素子などの熱素子と熱的に接触するように設けられている。
【背景技術】
【０００２】
輻射式床加熱装置、輻射式壁加熱装置、輻射式冷却装置、ソーラーヒーティングパネルなどのいわゆる輻射式加熱装置を含む熱交換装置は、二つの媒体間（一般的には熱素子と部屋内の空気との間）で熱を移動させることで、住居又は商業施設内の部屋を暖めて又は冷却して、人間や生き物に快適な環境を提供する技術である。具体的には、輻射式加熱によって人が直接暖められ、また、ヒートシンクの役割をする床、壁、家具などの部屋内の表面が直接暖められ、より低い温度を有する周辺にゆっくりと熱を分け与える。室内の人や生き物はこの熱を必要に応じて吸収する。本開示が輻射式加熱装置に焦点を置いている一方で、同様の機能を有する輻射式冷却装置及びソーラーパネル（但し、ソーラーパネルにおいては熱移動の「方向」が逆になり、環境（即ち太陽）からの熱が熱素子へと移動する）もまた本考案の範囲内にあるものとする。
【０００３】
輻射式床加熱装置においては、空気の循環が利用されるのではなく、床付近で保たれた高い温度が上方に放射されるので、天井付近に空気の「ホットポケット」が生じることが防止される。実際、輻射式床加熱において、温度は頭部の高さでより低く、そして足の高さでより暖かく感じられるので、多くの人が最も快適で暖かいと感じる。
【０００４】
輻射式加熱装置は、強制的に与えられる高温の空気、分離型放熱器、基板などの従来の加熱装置に代わるものであり、また、前記輻射式加熱装置は、電気式（即ち抵抗素子を利用）又は温水循環式（即ち加熱された液体、特に水を利用）の何れかであり得る。典型的な電気式輻射式加熱装置は、適切な配線と関連回路から構成される抵抗素子とを有する。典型的な温水循環式輻射式加熱装置は、水を加熱するためのボイラー、ポンプ、供給パイプ、部屋の床の至るところに埋め込まれた柔軟性のある加熱パイプ、戻りパイク、及び、ボイラーを制御するためのサーモスタットを有する。温水循環式装置は、土間、薄い床板、床下ステープルアップ(underfloor staple-up)に用いられるように設計されており、これらはRadiant Panel Associationのウェブサイト（www.radiantpanelassociation.org）上で閲覧できる。加熱された水はボイラーからくみ上げられて、供給パイプ、加熱パイプ、そして戻りパイプを通って、ボイラーに戻される。これらの装置は、その他の加熱装置に優る様々な利点を有しており、室内に均一な熱を与える。また、強制的に与えられる高温の空気、分離型放熱器、基板などの装置の場合のように熱源が局所化していないので、加熱される水は、温度が所望の室内温度よりもわずかに高くなるよう加熱されるだけでよい。例えば、もし所望の室内温度が華氏７０度であれば、室外温度にもよるが、水は、華氏９０度になるよう加熱されるだけでよく、これに対して、その他の加熱装置においてはその約二倍の温度にまで加熱される必要がある。
【０００５】
輻射式加熱装置は、目に見える放射器や加熱グリルを用いることなく、床又は壁構造内の加熱素子を利用して熱を伝達、分配する。この場合一般的には、例えば輻射式床加熱装置においては、床中間基板などの材料に、特にＰＥＸ管と称される架橋ポリエチレンなどの強固で柔軟性のあるプラスチック管などの加熱素子を埋め込んでいる。そのような管は、仕上がった床下に注がれた、単一で連続的で水平なコンクリート板の中に埋め込まれる。一方で、Styrofoam（登録商標）材料などの軽量な材料を用いる応用も採用されている。暖められた水は管内を通って循環し、この管内を流れて循環する液体の熱は、コンクリート板に、伝達することにより移動する。コンクリートが熱を溜めて放射することにより、室内の空気だけでなく人や物体が暖められるので、コスト効率が向上するとともに熱損失が低減する。さらに、冷たい又はより低い温度の水を装置内に流すことで上記のような装置を冷却に用いることもでき、このような冷却装置は壁又は天井などに埋め込まれてもよい。
【０００６】
実際には、そのような装置の形成においては、まず、補助床と該補助床の上を走る管とが設けられ、その後、Maxxon社のTHERMA-FLOOR（登録商標）材料などの単一で連続的なコンクリート又はギプススラブが管の周りや上に注がれる。通常、管には、温度変動による膨張及び収縮がないという利点を有するポリエチレン又はポリブチレンなどの合成材料が用いられる。コンクリート又はギプスは硬化すると装置のための熱質量として作用する。このコンクリート又はギプスの下地又はスラブは、液体の状態で表面領域全体に注がれ、硬化されて、管を包み込む。
【０００７】
輻射式加熱装置を用いる欠点の一つには、加熱される表面全体に管を十分に配置して所望される均一な加熱を行うようにするために、コストがかかること挙げられる。例えば、６〜１２インチの典型的なピッチで管を配置した場合でも、床付近において顕著な温度不均一性がみられ、この事実は、床を歩く際、ユーザーが直接気づいたり感じたりするものである。加えて、管自体からの熱伝達が非効率的であることから、室内に十分な熱を伝えるには管内を流れる流体を高温に加熱する必要があり、装置のエネルギー効率低下の原因となっている。従って、輻射式加熱装置から提供される熱を最大限化し、エネルギー消費量を低減させ、輻射式加熱装置の管からの熱をより均一により拡散させることが望まれる。
【０００８】
Guckertらによる米国特許番号第７，１３２，６２９号には、輻射式加熱装置の管が埋め込まれた「軽量熱伝導板」が開示されている。Guckertらが開示する「板」は、剥離グラファイトの圧縮粒子からなる低密度マットからなる。また、Guckertらが開示する装置は扱いにくく、その理由として、この装置が厚く搬送し難くいこと、またグラファイトマットの中に管を埋め込む必要があり、その際付属的な微粒子に関する問題があることなどが挙げられる。Guckertらが開示する剥離グラファイトの利用法に優る大きな利点を与える展開において、開示内容が本明細書に参照して組み込まれている米国特許公開番号ＵＳ２００６／０２７２７９６には、輻射式加熱素子と剥離グラファイトの圧縮粒子からなる高密度のシートとの両方に熱的に接触する床基板が開示されており、そのような剥離グラファイトの圧縮粒子からなるシートは、輻射式加熱装置を覆う床のカバーリング上の温度変化を小さくし、かつ、その柔軟性及び床との高い適合性により床への熱の移動を最大限化する。
【０００９】
グラファイトは、炭素原子の六角形配列又は網目構造の層面から構成されている。これらの六角形に配列された炭素原子の層面は、実質的に平坦であり、かつ実質的に平行で等距離となるように互いの層面が配向又は配列されている。炭素原子からなる実質的に平坦で平行な等距離の、通常「グラフェーン層」又は「基底面」と称されるシート又は層は、互いに連結又は結合され、それらの群はクリスタリット形態で配列されている。高度に配列したグラファイトは、非常に大きなクリスタリットからなり、そのクリスタリットは、互いに高度に整列もしくは配向し、よく整列した炭素層を有している。即ち、高度に配列したグラファイトは、高いクリスタリット配向を有する。また、グラファイトは異方性構造を有していることから高い方向性を有する多くの特性、例えば熱伝導性や導電性を示す、又は有する。
【００１０】
簡単に説明すると、グラファイトは、炭素の積層構造、即ち弱いファン・デル・ワールス力により一つに結合された炭素原子の重層又は積層により構成された構造を、特徴として有している。グラファイト構造について考慮する際には、通常二つの軸又は方向、即ちｃ軸又は方向とａ軸又は方向とに着目する。簡単のため、ｃ軸又は方向は炭素層に垂直な方向とされる。ａ軸又は方向は炭素層に平行な方向、又は、ｃ方向に垂直な方向とされる。柔軟性を有するグラファイトのシートを製造するために適したグラファイトは、非常に高度な配向性を有する。
【００１１】
上記したとおり、平行な炭素原子の層を一体的に保持する結合力は、弱いファン・デル・ワールス力のみである。天然のグラファイトは、層に垂直な方向、即ちｃ方向に大きく拡張するように、重ね合わされた炭素層又は積層の間の間隔を大きく広げるように処理され、これにより、炭素層の層状特性が実質的に維持された、拡張した又は膨張したグラファイト構造が形成される。
【００１２】
大きく拡張されたグラファイトフレーク、具体的には、最終的な厚さ、即ち元のｃ方向寸法の約８０倍以上のｃ方向寸法となるとうに拡張されたグラファイトフレークは、バインダを用いることなく、例えばウェブ、紙、ストライプ、テープ、箔、マット等のような、拡張されたグラファイトの粘着性のある又は統合されたシート（通常「柔軟性のあるグラファイト」と称される）に形成される。元のｃ方向寸法よりも約８０倍以上の最終厚又はｃ寸法となるように拡張されたグラファイト粒子を、バインダ材料を用いることなく、圧縮によって、統合された柔軟性のあるシートに形成することは、体積的に拡張されたグラファイト粒子間で達成される機械的なインターロック、即ち凝集によって可能となると考えられる。
【００１３】
柔軟性に加えて、シート材料は、上記したとおり、高圧縮から得られたシートの向かい合った面に実質的に平行である拡張されたグラファイト粒子及びグラファイト層の配向を有していることから、熱伝導率に関する高い異方性を有し、これは特に熱放散アプリケーションで有効であることも分かっている。このようにして製造されたシート材料は、優れた柔軟性、強い強度、及び高い配向性を有している。
【００１４】
簡単に説明すると、柔軟性のある、バインダを用いない、異方性グラファイトシート材料、例えばウェブ、紙、ストライプ、テープ、箔、マットを製造するプロセスにおいては、所定の荷重下で、バインダを用いることなく、元の粒子のｃ方向寸法よりも約８０倍以上であるｃ方向寸法を有する拡張されたグラファイト粒子を圧縮又は小型化して、実質的に平坦で柔軟性のある統合されたグラファイトシートを形成する。通常、虫のような、即ち虫状の外観を有する拡張されたグラファイト粒子においては、圧縮後、その圧縮状態と対向するシートの主要面との配列が維持される。シート材料の密度及び厚さは圧縮の度合いを制御することで可変とされる。シート材料の密度は、約０．０４ｇ／ｃｃから約２．０ｇ／ｃｃの範囲内とされる。
【００１５】
柔軟性のあるグラファイトシート材料は、グラファイト粒子がシートの主要な対向した平行な表面に対して平行に配列しているのでより優れた異方性を示し、この異方性の度合いは、配向性を増加させるために、シート材料を圧縮することにより増加される。圧縮された異方性シート材料においては、厚さ、即ち対向した平行なシート表面に垂直な方向はｃ方向とされ、長さ及び幅に沿って広がる方向、即ち対向した主要面に沿った方向又は平行な方向はａ方向とされ、そして、ｃ方向とａ方向とに対するシートの熱特性及び電気特性は桁単位で大きく異なるとされる。
【００１６】
従って、輻射式加熱装置により提供される熱及び輻射式加熱装置から得られる熱流量の均一性を向上させる、剥離グラファイトの圧縮粒子からなる一又は複数のシートの異方性を利用した、材料及び装置が所望される。
【考案の概要】
【００１７】
本考案の一実施形態においては、輻射式加熱素子などの熱素子を有する、熱交換装置のためのヒートスプレッダが提供され、前記ヒートスプレッダは、剥離グラファイトの圧縮粒子からなる少なくとも一枚のシートから構成される。
【００１８】
本考案の別の実施形態においては、本考案に係るヒートスプレッダは、熱素子の「下面」（加熱や冷却などされる表面に対して裏面）と熱的に接触するように設けられ、これにより、熱素子と、該熱素子との間に熱移動が生じる環境と、の間の熱流量が最大限化される。
【００１９】
特に輻射式加熱装置に関する本考案の別の実施形態においては、本考案のヒートスプレッダは、輻射式加熱素子の「下面」（加熱される表面に対して裏面）と熱的に接触するように設けられ、該加熱素子から暖められる室内への熱流量が最大限化される。
【００２０】
本考案の別の実施形態においては、輻射式加熱装置からの熱流量を増加させ、それにより、より広い間隔をあけて設けられたより少ない加熱素子のループの使用を可能とするヒートスプレッダ、又は、そのような加熱素子においてより低い温度又は消費エネルギーを実現するヒートスプレッダが、提供される。
【００２１】
本考案の別の実施形態においては、密度が少なくとも約０．６グラム毎立方センチメートル（ｇ／ｃｃ）とされる、剥離グラファイトの圧縮粒子からなる少なくとも一枚のシートより構成されるヒートスプレッダが、熱交換装置の熱素子と、輻射式加熱装置により暖められる部屋の熱伝達が生じる床などの表面と、に熱的に接触するように、配置されている。
【００２２】
本考案の別の実施形態においては、本考案のヒートスプレッダの密度が、少なくとも約１．１ｇ／ｃｃとされ、最も好ましくは少なくとも約１．５ｇ／ｃｃとされる。
【００２３】
本考案の別の実施形態においては、主要な表面に平行な方向の熱伝導率が少なくとも約１４０ワット毎メートル毎ケルビン（Ｗ／（ｍ・Ｋ））とされる、剥離グラファイトの圧縮粒子からなる少なくとも一枚のシート、を有するヒートスプレッダが、輻射式加熱装置の加熱素子と、輻射式加熱装置により加熱される部屋の床と、に熱的に接触するように、配置されている。
【００２４】
本考案の別の実施形態においては、本考案のヒートスプレッダの熱伝導率が少なくとも約２２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）とされ、最も好ましくは少なくとも約３００Ｗ／（ｍ・Ｋ）とされる。
【００２５】
本考案の別の実施形態においては、輻射式加熱装置に用いられる熱交換器の（複数の）熱素子が、絶縁材料に形成された溝又は穴の中に配置されており、それらの間に本考案のヒートスプレッダが配置されている。
【００２６】
本明細書を読む上で当業者にとって明らかとなる上記の目的及びその他の目的は、下記の熱交換装置を提供することにより達成される。即ち、前記熱交換装置は、表面を有する熱素子と、剥離グラファイトの圧縮粒子からなる少なくとも１枚のシートからなるヒートスプレッダと、が設けられた熱交換装置であって、前記シートの密度が少なくとも約０．６ｇ／ｃｃ、好ましくは少なくとも約１．１ｇ／ｃｃとされ、前記シートの厚みが約１０ｍｍよりも低いとされる。前記ヒートスプレッダには第一面と第二面とが設けられており、そして、前記ヒートスプレッダの第一面が前記熱素子の表面の一部と熱的に接触するよう且つ該ヒートスプレッダが少なくとも部分的に前記熱素子の周囲を覆うように、該ヒートスプレッダが、前記熱素子に対して配置されている。
【００２７】
また、本考案に係る熱交換装置には、前記熱素子を収容する寸法に形成された溝を有する基板が設けられ、前記ヒートスプレッダが前記熱素子と前記基板との間に位置するように、前記基板が前記ヒートスプレッダの第二面の近くに配置され、そして、前記基板の熱伝導率は約２．０Ｗ／（ｍ・Ｋ）よりも小さいとされている。さらに、前記ヒートスプレッダは、第一構成要素と第二構成要素とで構成される二つの構成要素を有し、かつ、前記ヒートスプレッダの第一構成要素が、前記熱素子と前記基板との間に配置されている。前記ヒートスプレッダの第一構成要素は、アルミニウム又は別の金属で形成されてもよい。場合によっては、前記ヒートスプレッダの第二構成要素が前記溝の位置で前記熱素子と前記基板の間に位置されないように、前記ヒートスプレッダの第二構成要素が、前記溝全体に延びるように設けられている。関連する実施形態においては、特に床下装置において、床下に基板を設けず、床下を空いた空間としてもよい。一実施形態においては、熱交換装置はソーラーパネルである。
【００２８】
本考案の別の側面は、溝を有する基板と、剥離グラファイトの圧縮粒子からなる少なくとも１枚のシートからなるヒートスプレッダと、が設けられた熱交換装置であって、前記シートの密度が少なくとも約０．６ｇ／ｃｃとされ、前記シートの厚みが約１０ｍｍよりも低いとされ、そして、前記ヒートスプレッダが前記基板の溝の中に延びるように配置されることにより形成される、前記基板と前記ヒートスプレッダとで構成される溝が設けられている。また、前記基板と前記ヒートスプレッダとで構成される溝は、熱素子を収容する寸法に形成されている。即ち、前記ヒートスプレッダは前記基板の溝の中に設けられ、該基板の溝の中に設けられたヒートスプレッダによって溝が形成されることにより、いわゆる前記基板と前記ヒートスプレッダとで構成された溝が形成される。前記ヒートスプレッダは、第一構成要素と第二構成要素とを有する二つの構成要素から構成され、該ヒートスプレッダの第一構成要素は、前記基板とともに、前記基板と前記ヒートスプレッダとで構成された溝を形成している。
【００２９】
別の側面においては、本考案は、第一表面と第二表面とを有する構造要素と、前記構造要素の第二表面の近くに設けられた熱素子と、剥離グラファイトの圧縮粒子からなる少なくとも１枚のシートからなるヒートスプレッダと、を設けた熱交換装置であって、前記熱素子が、前記構造要素の第二表面寄りに配置された部分と該構造要素から離れた位置に配置された部分と、を有し、前記構造要素の第二表面と前記熱素子との両方に熱的に接触するように、前記ヒートスプレッダが配置され、さらに、前記ヒートスプレッダと、前記熱素子の構造要素から離れた位置に配置された部分と、が、熱的に接触するように構成されている。
【００３０】
本考案の別の側面は、（ａ）第一表面と第二表面とを有する構造要素が設けられた部屋と、（ｂ）前記構造要素の第二表面の近くに設けられた、加熱素子などの熱素子と、（ｃ）剥離グラファイトの圧縮粒子からなる少なくとも１枚のシートからなるヒートスプレッダと、を設けた、部屋用輻射式加熱装置であって、前記第一表面が、前記部屋の床、壁、又は天井のうちの少なくとも一つとされ、前記熱素子が、前記構造要素の第二表面寄りに配置された部分と該構造要素から離れた位置に配置された部分とを有し、前記構造要素の第二表面と前記熱素子との両方と熱的に接触するように、前記ヒートスプレッダが配置され、かつ、前記ヒートスプレッダと、前記熱素子の構造要素から離れた位置に配置された部分と、が、熱的に接触するように構成されている。
【００３１】
本考案の別の側面は、（ａ）第一表面と第二表面とを有する構造要素と、（ｂ）前記構造要素の第二表面の近くに設けられた熱素子と、（ｃ）剥離グラファイトの圧縮粒子からなる少なくとも１枚のシートからなるヒートスプレッダと、を設けた熱交換装置であって、前記熱素子が、前記構造要素の第二表面寄りに配置された部分と該構造要素から離れた位置に配置された部分と、を有し、前記構造要素の第二表面と前記熱素子との両方に熱的に接触するように、前記ヒートスプレッダが配置され、そして、前記ヒートスプレッダと、前記熱素子の構造要素から離れた位置に配置された部分と、が、熱的に接触するように構成されている。
【００３２】
本考案の一実施形態においては、前記ヒートスプレッダは二つの構成要素から構成され、前記二つの構成要素のうちの一つの構成要素が、前記熱素子の構造要素から離れた位置に配置された部分と熱的に接触するように設けられている。好ましくは、前記剥離グラファイトの圧縮粒子からなる少なくとも１枚のシートの密度は、少なくとも約０．６ｇ／ｃｃ、より好ましくは少なくとも約１．１ｇ／ｃｃ、又は、１．５ｇ／ｃｃともされる。さらに、前記剥離グラファイトの圧縮粒子からなる少なくとも１枚のシートの面内熱伝導率は、少なくとも約１４０Ｗ／（ｍ・Ｋ）とされてもよく、より好ましくは少なくとも約２２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）、又は最大３００Ｗ／（ｍ・Ｋ）又はそれ以上とされてもよい。
【００３３】
上記の熱伝導装置は、さらに、前記構造要素の第二面の近くに配置される基板を有していてもよく、該基板は、前記ヒートスプレッダが該基板と前記構造要素間に位置するように配置されている。前記基板は、絶縁性が高く、即ち、該基板の熱伝導率は、約２．０Ｗ／（ｍ・Ｋ）よりも低いとされ、より好ましくは約０．１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）よりも低いとされる。
【００３４】
前述の一般的な記載及び後述の詳細な記載は、本考案の実施形態を示すとともに、請求される考案の概要又は枠組み、及び、本考案の性質及び特徴を記載している。添付の図面は本考案のさらなる理解のために用いられ、本明細書に組み込まれるとともにその一部を構成する。本考案の様々な実施形態が図面に記載され、本考案の原理および作用が本明細書と図面とに併せて記載される。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本考案に係る輻射式加熱装置の部分断面図である。
【図２】図１に示される輻射式加熱装置の別の実施形態の部分断面図である。
【図３】図１に示される輻射式加熱装置のさらに別の実施形態の部分断面図である。
【図４】図１に示される輻射式加熱装置のさらに別の実施形態の部分断面図である。
【図５】本考案を比較テストするためのテスト装置の上面からみた概略図である。
【図６】前記テスト装置の、図５に示す６−６線に沿った断面図である。
【考案を実施するための形態】
【００３６】
上記のとおり、本考案の熱交換装置のヒートスプレッダは、剥離グラファイトの圧縮粒子からなる少なくとも１枚のシートから形成されている点で有利である。本開示は埋め込み式温水式輻射式床加熱装置の形で記載されているものの、当然のことながら、本開示は、壁又は天井装置、抵抗装置、床下ステープルアップ装置などのその他の輻射式床加熱装置や、冷却装置及びソーラーパネルを含む、本明細書の中で教示されるコンセプトが適用される、その他のタイプの熱交換装置にも関する。
【００３７】
グラファイトは、平面間の弱い結合によって平坦な層状平面内で共有結合した原子を含む、炭素の結晶形式である。天然グラファイトフレークなどのグラファイトの粒子を、例えば硫酸及び硝酸の溶液のインターカラントとともに処理することにより、グラファイトの結晶構造が反応してグラファイトとインターカラントの化合物を形成する。処理されたグラファイトの粒子を、以下、「インターカレート化されたグラファイトの粒子」と称する。グラファイト内のインターカラントは、高温にさらされると分解して蒸発し、インターカレート化されたグラファイトの粒子の寸法を、ｃ方向、即ちグラファイトの結晶面に垂直な方向に、アコーディオンのような形で、元の体積の約８０倍以上に拡大する。拡大された（或いは、剥離された）グラファイト粒子は、外観が虫のようであるため、一般的にワームと称される。このワームは、柔軟なシートへ一体的に圧縮されてもよく、該柔軟なシートは、元のグラファイトフレークとは異なり、様々な形状に形成、切断され得る。
【００３８】
本考案での使用に適した、柔軟なシート用のグラファイト出発材料は、有機酸及び無機酸、並びに、塩素をインターカレート化する機能を備えた高度にグラファイト的な炭質物質を含み、熱にさらされると膨張する。これらの高度にグラファイト的な炭質物質は、最も好ましくは、約１．０のグラファイト化の度合いを持つ。本明細書で使用されるように、「グラファイト化の度合い」なる語は、次式、
ｇ＝（３．４５−ｄ（００２））／０．０９５
に従う値ｇを表し、ここで、ｄ（００２）は、オングストローム単位で測定される結晶構造の炭素のグラファイト層間の間隔である。グラファイト層間の間隔ｄは、標準的なＸ線回折技術により測定される。（００２）、（００４）及び（００６）ミラー指数に対応する回折ピークの位置が測定され、標準的な最小二乗法を用いてこれらのピークのすべてに対する合計誤差を最小化する間隔が導出される。高度にグラファイト的な炭質物質の例には、様々な原料からの天然グラファイト、及び、化学蒸着法、ポリマーの高温熱分解、又は、溶融金属溶液からの結晶化によって精製されたグラファイトのようなその他の炭質物質等が含まれる。天然グラファイトが最も好適とされる。
【００３９】
本考案で使用されるグラファイト出発物質は、出発物質の結晶構造が要求されるグラファイト化の度合いを維持可能であるとともに剥離化可能である場合に限り、非グラファイト成分を含有してもよい。一般的に、結晶構造が要求されるグラファイト化の度合いを有すると共に剥離化するものであれば、どの様な含炭素物質であっても本考案における使用に適している。このようなグラファイトは、好ましくは、少なくとも約８０重量パーセント純度を有する。より好ましくは、本考案で用いられるグラファイトは、少なくとも約９４％の純度を有する。最も好ましい実施形態においては、用いられるグラファイトは少なくとも約９８％の純度を有する。
【００４０】
グラファイトのシートを製造する一般的な方法は、Ｓｈａｎｅらによる米国特許番号第３，４０４，０６１に記載されており、その開示内容は本明細書に参照することにより盛り込まれる。Ｓｈａｎｅらの方法の典型的な実施態様においては、天然グラファイトフレークは、例えば、硝酸と硫酸の混合物を含有する溶液に、１００重量部のグラファイトフレーク（ｐｐｈ）に約２０から約３００重量部のレベルのインターカラント溶液でフレークを分散させることによりインターカレート化される。このインターカレーション溶液には、技術的に知られている酸化剤及びその他のインターカレート化剤が含まれる。その例には、硝酸、塩化カリウム、クロム酸、過マンガン酸カリウム、クロム酸カリウム、重クロム酸カリウム、過塩素酸等のような酸化剤及び酸化混合物を含む溶液、又は、例えば、濃縮硝酸と塩素酸塩、クロム酸とリン酸、硫酸と硝酸のような混合物、又は、例えば、トリフルオロ酢酸のような強有機酸と、有機酸に可溶性の強酸化剤との混合物が含まれる。あるいは、電位を使用してグラファイトの酸化を誘発してもよい。電解酸化を使用してグラファイト結晶に導入することができる化学種には、硫酸並びにその他の酸が含まれる。
【００４１】
好ましい実施形態においては、インターカレート化剤は、硫酸、又は、硫酸及びリン酸と、酸化剤との、即ち、硝酸、過塩素酸、クロム酸、過マンガン酸カリウム、過酸化水素、ヨウ素酸又は過ヨウ素酸等との混合物の溶液である。それほど好ましくはないものの、インターカレーション溶液として、塩化第二鉄、及び、硫酸と混合された塩化第二鉄のようなハロゲン化金属、又は、臭素と硫酸の溶液としての臭素、若しくは、有機溶媒中の臭素のようなハロゲン化物を含んでいてもよい。
【００４２】
インターカレーション溶液の量は、約２０から約３５０ｐｐｈの範囲内で、より典型的には、約４０から約１６０ｐｐｈの範囲内で変動してもよい。フレークがインターカレート化された後、過剰な溶液はフレークから抜き取られてフレークが水洗される。あるいは、インターカレーション溶液の量を約１０から約４０ｐｐｈに制限してもよく、これにより、米国特許番号第４，８９５，７１３号、開示内容は本明細書に参照することで盛り込まれている、に教示、記載されているように洗浄ステップを省くことができる。
【００４３】
インターカレーション溶液で処理されたグラファイトフレークの粒子は、任意的に、例えば、混合によって、２５℃から１２５℃の範囲の温度で酸化インターカレート化溶液の表面膜と反応するアルコール、糖質、アルデヒド、及び、エステルより選択された還元性有機剤と接触させられる。適切な有機剤には、ヘキサデカノール、オクタデカノール、１−オクタノール、２−オクタノール、デシルアルコール、１，１０−デカンジオール、デシルアルデヒド、１−プロパノール、１，３−プロパンジオール、エチレングリコール、ポリプロピレングリコール、デキストロース、フルクトース、ラクトース、スクロース、ポテトスターチ、エチレングリコールモノステアレート、ジエチレングリコールジベンゾエート、プロピレングリコールモノステアレート、グリセロールモノステアレート、ジメチルオキシレート、ジエチルオキシレート、蟻酸メチル、蟻酸エチル、アスコルビン酸、及び、リグノサルフェートナトリウムのようなリグニンから誘導された化合物が含まれる。有機還元剤の量は、グラファイトフレークの約０．５から４重量％が適切である。
【００４４】
インターカレーションの前、最中、又は、直後に適用される拡張エイドを用いることにより、さらなる改善がなされる。これらの改善には、剥離温度の低下と、拡張体積（「ワーム体積」とも称される）の増加と、が含まれる。これに関連した拡張エイドは、拡張の改善を達成するためインターカレーション溶液に十分に溶解する有機材料であることが有利とされる。より詳細には、炭素、水素及び酸素を含有し、好ましくはその他を含有しないタイプの有機材料が利用される。カルボン酸は特に有効であることが分かっている。拡張エイドとして有用な適切なカルボン酸は、少なくとも１個の炭素原子、好ましくは最大で約１５個の炭素原子を含み、剥離の一つ以上の局面の測定可能な改善のために効果的な量がインターカレーション溶液に溶解する、芳香族、脂肪族、脂環式、直鎖若しくは分岐鎖、飽和及び不飽和のモノカルボン酸、ジカルボン酸、並びに、ポリカルボン酸から選択される。適切な有機溶媒を用いることにより、インターカレーション溶液中の有機拡張エイドの可溶性を改善することができる。
【００４５】
飽和脂肪族カルボン酸の代表的な例は、化学式Ｈ（ＣＨ2）nＣＯＯＨのような酸であり、ここで、ｎは０から５の数であり、蟻酸、酢酸、プロピオン酸、酪酸、ペンタン酸、ヘキサン酸等が含まれる。カルボン酸の代わりに、無水物、又は、アルキルエステルのような反応性カルボン酸誘導体を利用してもよい。アルキルエステルの代表例は、蟻酸メチル及び蟻酸エチルである。硫酸、硝酸及びその他の公知の水溶性インターカラントは、蟻酸を最終的に水と二酸化炭素に分解する能力を有する。このため、蟻酸及びその他の高感度拡張エイドを、フレークを水溶性インターカラントに浸水する前にグラファイトフレークと接触させることが有利である。代表的なジカルボン酸は、２から１２個の炭素を含む脂肪族ジカルボン酸、特に、シュウ酸、フマル酸、マロン酸、マレイン酸、琥珀酸、グルタル酸、アジピン酸、１，５−ペンタンジカルボン酸、１，６−ヘキサンジカルボン酸、１，１０−デカンジカルボン酸、シクロヘキサン−１，４−ジカルボン酸、及び、フタル酸又はテレフタル酸のような芳香族ジカルボン酸である。代表的なアルキルエステルは、ジメチルオキシレートとジエチルオキシレートである。代表的な脂環式酸はシクロヘキサンカルボン酸であり、代表的な芳香族カルボン酸は、安息香酸、ナフトエ酸、アントラニル酸、ｐ−アミノ安息香酸、サリチル酸、ｏ−、ｍ−及びｐ−トリル酸、メトキシ及びエトキシ安息香酸、アセトアセタミド安息香酸、アセタミド安息香酸、フェニル酢酸、及び、ナフトエ酸である。代表的なヒドロキシ芳香族酸は、ヒドロキシ安息香酸、３−ヒドロキシ−１−ナフトエ酸、３−ヒドロキシ−２−ナフトエ酸、４−ヒドロキシ−２−ナフトエ酸、５−ヒドロキシ−１−ナフトエ酸、５−ヒドロキシ−２−ナフトエ酸、６−ヒドロキシ−２−ナフトエ酸、及び、７−ヒドロキシ−２−ナフトエ酸である。有名なポリカルボン酸はクエン酸である。
【００４６】
インターカレーション溶液は水溶性であり、好ましくは、剥離を改善するために効果的な量とされる、約１から１０％の量の拡張エイドを含有する。拡張エイドが水性インターカレーション溶液に浸水される前又は後にグラファイトフレークと接触させられるような実施形態においては、拡張エイドは、典型的に、Ｖ型ブレンダのような適当な手段を用いてグラファイトと混合され、混合される拡張エイドの量はグラファイトフレークの量の約０．２重量％から約１０重量％である。
【００４７】
グラファイトフレークをインターカレート化した後、インターカレート化されたグラファイトフレークと有機還元剤とを混合し、その後、この混合物を２５℃から１２５℃の範囲内の温度にさらすことで、還元剤とインターカレート化されたグラファイトフレークの反応を促進させる。加熱期間は、最大約２０時間であり、加熱期間がより短い、例えば少なくとも約１０分の場合には、温度は上記の範囲内のより高い温度とされる。より高温にさらすことにより、加熱期間を、３０分以下、例えば、１０から２５分のオーダーとしてもよい。
【００４８】
このように処理されたグラファイトの粒子は、時に「インターカレート化グラファイトの粒子」と称される。例えば、少なくとも約１６０℃、特に、約７００℃から１０００℃以上の高温にさらすことにより、インターカレート化グラファイトの粒子は、ｃ方向に、即ち、成分グラファイト粒子の結晶面に対して垂直方向に、アコーディオンのような形で元の体積よりも約８０から１０００倍以上に拡張する。拡張された、即ち、剥離されたグラファイト粒子は、外観が虫のようであることから一般にワームと称される。ワームは、柔軟なシートに一体的に圧縮成形され、該柔軟なシートは、元のグラファイトフレークとは異なり、一つの表面又は両方の表面に流動溝又はチャネルが設けられた構造物とともに、形成されたりエンボス加工されたりすることができる。
【００４９】
グラファイトのシートや箔などの圧縮された剥離グラファイトは、凝集しており、優れた取扱い強度を有し、そして、例えば圧縮成形によって適切に圧縮されて、約０．０２５ｍｍから３．７５ｍｍの典型的な厚さ、及び、０．４から２．０ｇ／ｃｃ又はそれ以上の典型的な密度とされる。実際、「シート」として考えるためには、グラファイトの密度は少なくとも約０．６ｇ／ｃｃとされるべきであり、そして、本考案に必要とされる柔軟性を有するためには、グラファイトの密度は少なくとも約１．１ｇ／ｃｃとされるべきであり、より好ましくは、少なくとも約１．５ｇ／ｃｃとされるべきである。本明細書内で用いられる「シート」なる語には、個別のシートとは異なる、丸められた連続的な材料が含まれる。
【００５０】
所望される場合、剥離グラファイトの圧縮粒子からなるシートを、硬化後に、樹脂や吸収樹脂を用いて処理することにより、グラファイト材料の耐湿性や取扱い強度、即ち剛性を改善するとともに、グラファイト材料の形態を「固定」してもよい。適切な樹脂含量は、好ましくは少なくとも約５重量％であり、より好ましくは約１０から３５重量％であり、好適には最大で約６０重量％である。本考案における使用に特に有用とされる樹脂には、アクリル樹脂系、エポキシ樹脂系、及び、フェノールベース樹脂系、フルオロベーズポリマー、又は、それらの混合物が含まれる。好適なエポキシ樹脂系には、ジグリシジルエーテル又はビスフェノールＡ（ＤＧＥＢＡ）をベースとしたものと、その他の多機能樹脂系と、が含まれ、使用可能なフェノール樹脂には、レゾール型とノボラック型のフェノールが含まれる。任意的に、樹脂に加えて、又は樹脂の代わりに、ファイバー及び／又は塩を柔軟性のあるグラファイトに含有させてもよい。さらに、性質（粘着性、材料の流れ、疎水性など）を改質するために反応性または非反応性添加物を樹脂系と共に用いてもよい。
【００５１】
上記したように、本考案は、剥離グラファイトの圧縮粒子からなる少なくとも１枚のシートからなるヒートスプレッダを有する輻射式加熱装置である。ヒートスプレッダの密度は、少なくとも約０．６ｇ／ｃｃ、より好ましくは少なくとも約１．１ｇ／ｃｃ、最も好ましくは少なくとも約１．５ｇ／ｃｃとされるべきである。実用的見地においては、グラファイトのシートからなるヒートスプレッダの密度の上限は、約２．０ｇ／ｃｃとされる。ヒートスプレッダ（剥離グラファイトの圧縮粒子からなる複数のシートから構成されていても）の厚さは、約１０ｍｍより小さいとされるべきであり、より好ましくは約２ｍｍよりも小さいとされるべきであり、最も好ましくは約１ｍｍよりも小さいとされるべきである。
【００５２】
本考案を実施するにあたっては、複数のグラファイトシートを積層して単一の材料とし、本考案のヒートスプレッダとして用いてもよい。この積層された材料の密度及び厚さは上記の範囲内とされる。剥離グラファイトの圧縮粒子からなるシートは、それらの間に感圧又は熱活性化接着剤などの適切な接着剤を用いて積層される。選択される接着剤は、結合強度と厚みの最小化とのバランスを保つものとされるべきであり、また、熱の拡散が考えられる使用温度において、十分な結合強度を維持することができるものとされるべきである。適切な接着剤は当業者にとって周知のものであり、それにはフェノール系樹脂が含まれる。
【００５３】
本考案のヒートスプレッダを構成するグラファイトの（複数の）シートの、シートの面に平行な熱伝導率（「面内熱伝導率」とされる）は、少なくとも約１４０Ｗ／（ｍ・Ｋ）とされることが、使用において効率的である。グラファイトの（複数の）シートの面に平行な熱伝導率は、少なくとも約２２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）とされることがより有利とされ、そして、少なくとも約３００Ｗ／（ｍ・Ｋ）とされることが最も有利とされる。無論、面内熱伝導率が高いほど本考案のヒートスプレッダの熱拡散特性の効率が良いと認識されている。実用的見地においては、剥離グラファイトの圧縮粒子からなるシートの面内熱伝導率は、最大約６００Ｗ／（ｍ・Ｋ）であれば十分である。「シートの面に平行な熱伝導率」及び「面内熱伝導率」なる表現は、剥離グラファイトの圧縮粒子からなるシートが、シートの面を形成する二つの主要な表面を有しているという事実に基づいており、従って、「シートの面に平行な熱伝導率」及び「面内熱伝導率」は、剥離グラファイトの圧縮粒子からなるシートの主要な表面に沿った熱伝導率である。
【００５４】
図面を参照すると、図１は輻射式床加熱装置１００の該図である。本考案が主に輻射式加熱装置に関するものとして記載されているものの、当然ながら、壁や天井などの境界的構造に埋め込まれた加熱又は冷却装置及びソーラーパネルなどのその他の同様な熱交換装置（図示せず）に、本明細書の原理を適用することも可能である。
【００５５】
床加熱装置１００は、表面を有する床１１２を有しており、該表面を介して、床加熱装置１００が配置されている部屋に、熱（冷却）が提供される。（無論、ソーラーパネルにおいては、床１１２に相当するものは、太陽光を受けるガラスパネルなどの熱吸収パネルである）。上記のとおり、装置１００が壁又は天井加熱装置として用いられる場合には、床１１２は実際には部屋の壁又は天井である。どのような応用に用いられるかに依って加熱素子又は冷却素子とされる熱素子１１４は、床１１２と熱的に接触(heat transfer relationship)している。熱的に接触しているとの表現は、一つの材料又は構成要素から別の材料又は構成要素に熱エネルギーが移動する、ということを意味する。主に熱素子１１４としての加熱素子が以下で記載されるものの、当然ながら、冷却素子も含まれる。より一般的には熱素子１１４は加熱又は冷却が可能な熱伝達素子であり、また、ソーラーパネルに用いられる場合などにおいては、周囲環境が熱伝達素子１１４を加熱する。
【００５６】
熱素子１１４は、加熱素子又は冷却素子の使用可能なタイプであれば何でもよく、この熱素子１１４は、これらに限定されるものではないが、電気抵抗線加熱素子、及び、熱伝達流体を運ぶための管ネットワークを有している。床１１２は、選択される加熱素子と併せて利用されるのに適するタイプであれば、どの従来床であってもよい。好適な熱素子１１４及び床１１２については以下でさらに詳しく記載する。
【００５７】
剥離グラファイトの圧縮粒子からなる少なくとも一枚のシートで構成されるヒートスプレッダ１１６は、床１１２と熱的に接触するように構成され、従って、床１１２と熱的に係り合うように設けられている。「熱的に係り合う」との表現には、伝導的、対流的(convective)、又は輻射的な関係が含まれる（以下に記載するとおり、後者の二つにおいてはヒートスプレッダ１１６が床１１２と物理的に接触していなくてもよい）。以下で詳細に記載される床基板１１８は床１１２の下に設けられ、シートスプレッダ１１６は床基板１１８と床１１２との間に配置される。
【００５８】
床１１２は、ヒートスプレッダ１１６と直接係り合うように配置される必要はなく、また、例えばカーペット用のパッドのような種々の層によってヒートスプレッダ１１６から分離されて配置されていてもよい。従って、一つの層が別の層を覆っていると記載されている場合、特に記載のない限り、これらが物理的に互いに接触している必要はない。床１１２は、これらに限定されないが、ビニール床、カーペット、硬材床、セメント、及び、セラミックタイルが含まれるどのような従来床であってもよい。
【００５９】
ヒートスプレッダ１１６はまた熱素子１１４と熱的に接触するように設けられている。熱素子１１４は、どの従来輻射式加熱装置又は熱交換装置に用いられるものであってもよい。例えば、熱素子１１４は、ThermoSoft International Corporation of Buffalo Grove, ILから販売されているThermoTile（商標）輻射式床加熱装置などに用いられる電気抵抗線加熱素子であってもよい。そのような電気抵抗線タイプの熱素子１１４は、しばしば、熱素子１１４が完全に埋め込まれているようなタイプの床基板１１８と共に利用される。例えば、床１１２がセラミックタイプタイプの床である場合は、電気抵抗タイプの熱素子１１４は通常、セメント又は薄い漆喰の層を有する床基板１１８の中に埋め込まれている。あるいは、床１１２がビニール床またはカーペットである場合は、電気抵抗タイプの熱素子１１４は、しばしば、フェルト又はその他の歩き心地の良い中間層と併せて用いられる。
【００６０】
高温の水などの熱伝達流体を運ぶための管ネットワークを有するタイプの熱素子１１４が選択された場合、それは例えばミネソタ州のUponor Wirsbo Company of Apple Valleyから販売されているタイプのものであり得る。そのような装置においては通常ＰＥＸ管が使用され、このＰＥＸ管は例えばコンクリート又はStyrofoam（登録商標）発泡体基板１１８の中に埋め込まれていてもよい。そのような装置においてはまた、銅などのその他の管材が使用されていてもよい。熱素子１１４として採用される管の断面は、通常丸型形状であるものの、長円形、正方形、長方形などの他の形状であってもよい。管タイプの熱素子１１４を従来の木製基板１１８と併せて利用してもよい。そのような場合、管は、従来の合板又は従来の木製床横梁（図示せず）を補う配向性ストランドボード木製下張り床の下面に取り付けられ、又は、いわゆる根太部対流板(joist bay convection plates)（図示せず）の中に取り付けられ、根太空間の対流が利用されることとなる。この実施形態においては、木製の下張り床及び横梁に、基板１１８が設けられている。本考案の熱伝達装置を適用可能な別の装置は、いわゆる根太部対流板装置であり、この装置は、床への伝導に頼るものでなく、根太空間における対流及び／又は輻射に頼るものである。
【００６１】
好ましい実施形態においては、Styrofoam（登録商標）ポリスチレン発泡体などの、絶縁性材料、特に比較的絶縁性の材料から、基板１１８が構成されている。基板１１８の熱伝導率は、絶縁性材料が用いられる場合、約２．０Ｗ／（ｍ・Ｋ）よりも小さいとされるべきであり、より好ましくは約０．１Ｗ／（ｍ・Ｋ）よりも小さいとされるべきであり、最も好ましくは約０．０５Ｗ／（ｍ・Ｋ）よりも小さいとされるべきである（基板１１８として用いる場合、熱伝導率には、技術的な下限はないものの実用上の下限は約０．０２５Ｗ／（ｍ・Ｋ）であると考えられる）。好ましくは、必須ではないが、運送及び設置などの実用面を考えると、基板１１８は軽量、即ち密度が約０．３ｇ／ｃｃよりも小さいとされ、より好ましくは約０．１ｇ／ｃｃとされる。一般的には基板１１８の密度は低いほど良いとされるが、約０．０１ｇ／ｃｃよりも小さくする必要はない。例えば、Styrofoam（登録商標）材料は、熱伝導率が約０．０３３Ｗ／（ｍ・Ｋ）とされ、密度が約０．０４〜０．０５ｇ／ｃｃよりも小さいとされる。そして、基板１１８によって、可能な限り大きな熱エネルギーが熱素子１１４から床１１２へと移動可能となる。Styrofoam（登録商標）発泡体などの軽量な絶縁性材料を使用する利益のさらなる例としては、材料の表面に、溝、凹部、又は細長い穴を、型に入れて作る、又は、形成して、そのような溝、凹部、又は細長い穴の中に熱素子１１４を配置させることができる点が挙げられる。このようにすることで、熱素子１１４から床１１２への熱エネルギーの移動が妨害されず、そして、熱素子１１４を所望のパターンに配置及び維持することが可能となる。さらに、軽量な絶縁性材料を基板１１８として使用することにより、基板１１８とヒートスプレッダ１１６とが設けられた、軽量な既製輻射式加熱装置パネルを作成することができ、及び／又は、熱素子１１４を現場から離れた場所で製造してから対象の建物内に設置することができる。
【００６２】
ヒートスプレッダ１１６は、上記のとおり、剥離グラファイトの圧縮粒子からなる少なくとも１枚のシートから構成され、そして、基板１１８と床１１２との間に配置される。このように、ヒートスプレッダ１１６が熱素子１１４と床１１２とに熱的に接触していることから、このヒートスプレッダ１１６により、熱素子１１４へ、又は、熱素子１１４から、熱エネルギーが床１１２の表面全体により均一に広がる（加熱又は冷却を介して行われる）。ヒートスプレッダ１１６が、熱素子１１４の、床１１２から最も遠い部分と熱的に接触していることが、最も有利とされる。言い換えると、図１〜図４に示される向きから見た場合、ヒートスプレッダ１１４は、少なくとも部分的に熱素子１１４の周囲を覆うように設けられており、従って、熱素子１１４の表面の一部と熱的に接触するように（最も好ましくは実際に物理的に接触するように）設けられており、好ましくは熱素子１１４の下面と熱的に接触するように設けられている。このようにして、ヒートスプレッダ１１６により、熱素子１１４の、床と最も離れた熱伝達関係にある（即ち物理的に最も離れている）表面又は部分から、床１１２への、熱エネルギーの通り道が提供され、これにより熱素子１１４からの熱流量が増加する。さらに、ヒートスプレッダ１１６の柔軟性及び適合性により床１１２への熱伝達が向上し、これは効率性の観点から重要な利点である。さらに、ヒートスプレッダ１１６の断面が比較的均一な厚さ及び密度を有しているので、ヒートスプレッダ１１６の有益な物理的性質はヒートスプレッダ１１６全体に渡って均一である。
【００６３】
図１に示される本考案の一実施形態においては、ヒートスプレッダ１１６を形成する、剥離グラファイトの圧縮粒子からなるシートが、柔軟性を有しているので、ヒートスプレッダ１１６を基板１１８と床１１２との間に配置して、熱素子１１４の下方に延びるように設けることができる（「下方」なる語は、壁又は天井加熱装置に適用される場合には、熱素子１１４の、輻射式加熱装置１００が配置された部屋に対して逆向きの部分であり、ソーラーパネルに用いられる場合には、「下方」とは、熱素子１１４の、太陽に対して逆向きの部分である）。あるいはヒートスプレッダ１１６は二つの別々の構成要素から形成されていてもよく、図２及び図３に示される、第一のヒートスプレッダ構成要素１１６ａ及び第二のヒートスプレッダ構成要素１１６ｂから構成されている。第一のヒートスプレッダ構成要素１１６ａは、上記のとおり、剥離グラファイトの圧縮粒子からなるシートから構成されており、基板１１８と床１１２との間に配置されているが、熱素子１１４の下方には延びていない。図２に示すように、第一のヒートスプレッダ構成要素１１６ａは、熱素子１１４が配置された範囲内には延びず、又は、第一のヒートスプレッダ構成要素１１６ａは、熱素子１１４の上方の表面全体に完全に延びるように設けられている。従って、第一のヒートスプレッダ構成要素１１６ａと熱素子１１４の上方の表面との熱的な接触は良好である。第二のヒートスプレッダ構成要素１１６ｂは、分離されており、熱素子１１４に熱的に接触する（物理的に接触することが有利である）よう設けられており、もしくは、熱素子１１４の下面又は側面の部分を含む表面を少なくとも部分的に覆うよう設けられている。さらに、第二のヒートスプレッダ構成要素１１６ｂは、図２及び図３に示すように、第一のヒートスプレッダ構成要素１１６ａと熱的に接触（最も好ましくは物理的に接触）している。第二のヒートスプレッダ構成要素１１６ｂは、剥離グラファイトの圧縮粒子からなる少なくとも一枚のシートから形成されており、又は、アルミニウムなどの金属などの等方性材料などの異なる材料から構成されていてもよい。床下配置においては、第二のヒートスプレッダ構成要素１１６ｂを、熱素子１１４の側面を部分的にだけ覆うように設ける（図示せず）ことが有利とされ、こうすることで、下張り床の下面上の根太の間に設置される第一のヒートスプレッダ構成要素１１６ａに設置、又は、取り付けられる第二のヒートスプレッダ構成要素１１６ｂに、熱素子１１４を設置、及び／又は、取り付けることができる。
【００６４】
別の実施形態においては、図４に示すとおり、第二のヒートスプレッダ構成要素１１６ｂを、熱素子１１４を完全に包み込むように、又は熱素子１１４に沿って延びるように設けてもよく、この時、該第二のヒートスプレッダ構成要素１１６ｂと第一のヒートスプレッダ構成要素１１６ａとの間の熱的接触（実際に物理的に接触していることが最も有利である）が維持されている。
【００６５】
本考案を使用することによる利点及び利益が、以下の例を用いて記載されるが、これにより本考案の範囲が限定されることは意図されない。
【００６６】
例  テスト装置１５０が図５及び図６に作図され示されている。テスト装置１５０には管１５４が設けられ、該管１５４は、内径が０．５インチ、外径が０．６２５インチであって、図５に示すとおり、流入口１５４ａと流出口１５４ｂとを有する、二つの等しい枝管１５５、１５６に分けられた水道管である。流入口１５４ａにおける温度は熱電対７を用いて測定され、流出口１５４ｂにおける温度は熱電対８を用いて測定される。管１５４の各枝管１５５及び１５６はテストゾーン内に延び、図６に示すとおり、該テストゾーンの一つは第一テストゾーン１５１と示され、もう一方は第二テストゾーン１５２と示されている。各テストゾーン１５１及び１５２は、１８ｍｍ厚の合板シートである底板１６０と、２５ｍｍ厚のStyrofoam（登録商標）絶縁体シートである基板１６２と、１８ｍｍ厚の合板シートである床１６４と、で形成されている。各基板１６２には溝又は凹部が設けられ、そのなかには、それらを通って延びる、管１５４の枝管１５５及び１５６が、それぞれ設けられている。
【００６７】
テストゾーン１５１には、熱電対１、２、３が設けられており、これらによりテストゾーン１５１の合板床１６４の一部１６４ａの上表面の温度が測定される。同様に、テストゾーン１５２には、熱電対４、５、６が設けられており、これらによりテストゾーン１５２の合板床１６４の一部１６４ｂの上表面の温度が測定される（テストゾーン１５１の床１６４ａ上の熱電対１がある場所とテストゾーン１５２の床１６４ｂ上の熱電対４がある場所は同じであり、テストゾーン１５１の床１６４ａ上の熱電対２がある場所とテストゾーン１５２の床１６４ｂ上の熱電対５がある場所は同じであり、テストゾーン１５１の床１６４ａ上の熱電対３がある場所とテストゾーン１５２の床１６４ｂ上の熱電対６がある場所は同じである）。
【００６８】
各テストランにおいて、水が、管１５４内に、毎秒１．２メーターの速度で流され、また、７にて測定される流入口の温度は摂氏５３．５度で、８にて測定される入出口の温度は摂氏５０．８度である。
【００６９】
最初のテストにおいては、図６に１７０と示される、０．５ｍｍ厚、面内熱伝導率が４５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）の、剥離グラファイトの圧縮粒子からなるシートで形成されるヒートスプレッダが、床基板１６２と床１６４との間のテストゾーン１５１、及び、管１５５の周囲に、配置される。また、図６に１７５と示される、０．５ｍｍ厚、熱伝導率が２２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）の、アルミニウムのシートが、床基板１６２と床の一部１６４ｂとの間のテストゾーン１５２、及び、管１５６の周囲に、配置される。周囲の温度、（Ｔambient）は、摂氏２６．３度である。水は、温度が平衡となるよう、一時間の間、管１５４内を上述したように流される。その後、熱赤外線カメラを用いて床１６４の上方で温度が測定される。表１に結果を示す。
【００７０】
【表１】
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【００７１】
熱赤外線カメラで測定された平均温度、（Ｔavg）は、テストゾーン１５１において摂氏３５．８度、テストゾーン１５２において摂氏３４．４度である。各テストゾーン１５１、１５２の熱流量が、その後、式、ｑ”＝Ｂ（Ｔavg−Ｔambient）を用いて計算される。ここで、ｑ”は熱流量、また、Ｂは、６．７Ｗ／ｍ2Ｋであって、ＤＳ／ＥＮ１２６４−２をとおしてテストセットアップにより表示することができる最も良い熱伝達係数である。
【００７２】
そのようにして計算されたテストゾーン１５１における熱流量は６４Ｗ／ｍ2、テストゾーン１５２における熱流量は５４Ｗ／ｍ2であり、本考案に係るグラファイトヒートスプレッダを用いることによって、アルミニウムと比較して熱流量が１９％増加することが示された。
【００７３】
二回目のテストにおいては、最初のテストの状況が繰り返され、但し、テストゾーン１５２にはヒートスプレッダは採用せず、また、Ｔambientは摂氏２４．０度である。平均温度、（Ｔavg）は、テストゾーン１５１において摂氏３４．１度、テストゾーン１５２において摂氏２８．５度である。そのようにして計算されたテストゾーン１５１の熱流量は６８Ｗ／ｍ2、テストゾーン１５２の熱流量は３０Ｗ／ｍ2であり、本考案に係るグラファイトヒートスプレッダを用いることによって、ヒートスプレッダを用いない場合と比較して熱流量が１２７％増加することが示された。
【００７４】
したがって、本考案のヒートスプレッダを用いることにより、またその大部分を加熱素子と熱的に接触させることにより、輻射式加熱装置からの熱流量が大幅に増加されることがわかった。これにより、加熱装置のための加熱素子を間隔をあけて配列することが可能となり、及び／又は、輻射式加熱管内を流れる水の温度を低下させ、又は、その他のタイプの熱素子に提供されるエネルギー量を低減させ、結果大幅な節約をすることが可能となる。
【００７５】
本明細書内に引用される全ての特許及び刊行物は本明細書に参照して組み込まれる。
【００７６】
記載される考案に種々の変更を加えてもよいことは明らかである。そのような変更は、本考案の精神の範囲を超えるものではなく、また、そのような修正は全て、実用新案登録請求の範囲に記載される考案の範囲内に含まれていることが意図されることが、当業者にとって明らかとなる。
【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６】
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【手続補正書】
【提出日】平成22年5月17日(2010.5.17)
【手続補正１】
【補正対象書類名】実用新案登録請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【実用新案登録請求の範囲】
【請求項１】
表面を有する熱素子と、剥離グラファイトの圧縮粒子からなる少なくとも１枚のシートからなるヒートスプレッダと、を設けた熱交換装置であって、
前記シートの密度が０．６ｇ／ｃｃ以上とされ、
前記シートの厚みが１０ｍｍ未満とされ、
前記ヒートスプレッダには、第一面と第二面とが設けられ、かつ、
前記ヒートスプレッダの第一面が前記熱素子の表面の一部と熱的に接触すると共に、前記ヒートスプレッダが少なくとも部分的に前記熱素子の周囲を覆うように、前記ヒートスプレッダが、前記熱素子に対して配置されている
ことを特徴とする熱交換装置。
【請求項２】
前記熱交換装置には、前記熱素子を収容する寸法に形成された溝を有する基板が設けられ、
前記ヒートスプレッダが前記熱素子と前記基板との間に位置するように、前記基板が、前記ヒートスプレッダの第二面の近くに配置され、かつ、
前記基板の熱伝導率が、２．０Ｗ／（ｍ・Ｋ）よりも小さいとされている
ことを特徴とする請求項１に記載の熱交換装置。
【請求項３】
前記ヒートスプレッダが、第一構成要素と第二構成要素とからなる二つの構成要素を有し、かつ、
前記ヒートスプレッダの第一構成要素が、前記熱素子と前記基板との間に配置されている
ことを特徴とする請求項２に記載の熱交換装置。
【請求項４】
溝を有する基板と、剥離グラファイトの圧縮粒子からなる少なくとも１枚のシートからなるヒートスプレッダと、を設けた熱交換装置であって、
前記シートの密度が０．６ｇ／ｃｃ以上とされ、
前記シートの厚みが１０ｍｍ未満とされ、
前記ヒートスプレッダが前記基板の溝内に延びるように配置されることによって形成された前記基板と前記ヒートスプレッダとで構成される溝が設けられ、かつ、
前記基板と前記ヒートスプレッダとで構成される溝が、熱素子を収容する寸法に形成されている
ことを特徴とする熱交換装置。
【請求項５】
前記ヒートスプレッダが、第一構成要素と第二構成要素とからなる二つの構成要素を有し、かつ、
前記基板と前記ヒートスプレッダとで構成される溝が、前記ヒートスプレッダの第一構成要素と前記基板とから形成されている
ことを特徴とする請求項４に記載の熱交換装置。
【請求項６】
第一表面と第二表面とを有する構造要素と、前記構造要素の第二表面の近くに設けられた熱素子と、剥離グラファイトの圧縮粒子からなる少なくとも１枚のシートからなるヒートスプレッダと、を設けた熱交換装置であって、
前記熱素子が、前記構造要素の第二表面寄りに配置された部分と該構造要素から離れた位置に配置された部分と、を有し、
前記構造要素の第二表面と前記熱素子との両方とに熱的に接触するように、前記ヒートスプレッダが配置され、かつ、
前記ヒートスプレッダと、前記熱素子の構造要素から離れた位置に配置された部分と、が、熱的に接触するように構成されている
ことを特徴とする熱交換装置。
【請求項７】
前記ヒートスプレッダが二つの構成要素を有し、
前記二つの構成要素のうちの一つの構成要素と、前記熱素子の構造要素から離れた位置に配置された部分と、が、熱的に接触するように構成されている
ことを特徴とする請求項６に記載の熱交換装置。
【請求項８】
前記剥離グラファイトの圧縮粒子からなる少なくとも１枚のシートの密度が０．６ｇ／ｃｃ以上とされることを特徴とする請求項６に記載の熱交換装置。
【請求項９】
前記剥離グラファイトの圧縮粒子からなる少なくとも１枚のシートの面内熱伝導率が１４０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上とされることを特徴とする請求項６に記載の熱交換装置。
【請求項１０】
第一表面と第二表面とを有する構造要素が設けられた部屋と、前記構造要素の第二表面の近くに設けられた熱素子と、剥離グラファイトの圧縮粒子からなる少なくとも１枚のシートからなるヒートスプレッダと、を設けた部屋用輻射式加熱装置であって、
前記第一表面が、前記部屋の床、壁、又は天井のうちの少なくとも一つとされ、
前記熱素子が、前記構造要素の第二表面寄りに配置された部分と該構造要素から離れた位置に配置された部分と、を有し、
前記シートの密度が０．６ｇ／ｃｃ以上とされ、
前記シートの面内熱伝導率が１４０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上とされ、
前記構造要素の第二表面と前記熱素子との両方と熱的に接触するように、前記ヒートスプレッダが配置され、かつ、
前記ヒートスプレッダと、前記熱素子の構造要素から離れた位置に配置された部分と、が、熱的に接触するように構成されている
ことを特徴とする輻射式加熱装置。