ES2970373T3 - Artículo radiador infrarrojo dirigido - Google Patents

Abstract

Artículos para emitir energía infrarroja que comprenden un miembro nanoestructurado que incluye una pluralidad de nanotubos, estando configurado el miembro para emitir energía infrarroja cuando se aplica una corriente eléctrica; un miembro reflectante configurado para dirigir al menos una parte de la energía infrarroja emitida en una dirección deseada para calentar un objetivo situado remotamente, y opcionalmente un espaciador situado entre el miembro nanoestructurado y el miembro reflectante para mantener un espacio predeterminado entre ellos, el predeterminado espaciado seleccionado para minimizar la interferencia destructiva entre la energía infrarroja emitida por el miembro nanoestructurado y la energía infrarroja reflejada por el miembro reflectante. En realizaciones alternativas, se puede sustituir el miembro nanoestructurado por un miembro carbonoso. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Artículo radiador infrarrojo dirigido

REFERENCIA CRUZADA A LA SOLICITUD RELACIONADA

Esta solicitud reivindica prioridad de la Solicitud Provisional de Estados Unidos N° de serie 62/245.341 presentada el 23 de octubre de 2015, y titulada "Directed Infrared Radiator Article".

ANTECEDENTES

El calentamiento por radiación infrarroja típicamente requiere una fuente calentada por reacción química o resistencia eléctrica. Tales sistemas son ineficaces, ya que emiten su radiación a través de un amplio intervalo de longitudes de onda. La fuente también puede ser peligrosa, con el potencial de provocar quemaduras, inflamar accidentalmente otros materiales y provocar una descarga eléctrica debido a las cantidades a menudo elevadas de corriente eléctrica necesarias para su funcionamiento. Estas fuentes se caracterizan a menudo por tener grandes masas térmicas, lo que da como resultado un largo periodo de tiempo para calentarse, así como por permanecer peligrosamente calientes durante un largo periodo después de apagarse.

SUMARIO

La presente divulgación se dirige a artículos para emitir y dirigir energía infrarroja para calentar un objetivo remoto. Los artículos pueden incluir un miembro nanoestructurado configurado para emitir energía infrarroja cuando se aplica una corriente eléctrica y un miembro reflectante configurado para dirigir por lo menos una parte de la energía infrarroja emitida en una dirección deseada para calentar el objetivo situado a distancia; y uno o más espaciadores situados entre el miembro nanoestructurado y el miembro reflectante para mantener un espaciado predeterminado entre ellos, el uno o más espaciadores teniendo un espesor igual a aproximadamente la mitad de una longitud de onda deseada de la radiación infrarroja que se dirigirá en la dirección deseada para calentar el objetivo situado a distancia.

En algunas realizaciones, el miembro nanoestructurado puede incluir una pluralidad de nanotubos entremezclados colocados uno encima del otro para formar una estructura continua que tenga un número adecuado de sitios de contacto entre nanotubos adyacentes para proporcionar la fuerza de unión necesaria con suficiente integridad estructural para ser manipulado como una hoja. En una de tales realizaciones, el miembro nanoestructurado puede incluir una pluralidad de capas de nanotubos no tejidos depositados unos encima de otros para formar una estructura de masa filo. Las realizaciones del miembro nanoestructurado pueden tener una densidad de área de nanotubos de aproximadamente 10 gramos por metro cuadrado. En realizaciones alternativas, el miembro nanoestructurado puede sustituirse por un miembro carbonoso que incluye por lo menos uno de grafeno, grafito, negro de humo u otro material a base de carbono. En algunas realizaciones, el miembro reflectante puede ser un material reflectante autónomo y, en otras realizaciones, puede incluir un material reflectante depositado sobre un sustrato.

El miembro nanoestructurado y el miembro reflectante están separados por uno o más espaciadores situados entre el miembro nanoestructurado y el miembro reflectante. El grosor del espaciador puede seleccionarse para ayudar a minimizar la interferencia destructiva entre la energía infrarroja emitida por el miembro nanoestructurado y la energía infrarroja reflejada por el miembro reflectante. El espaciador puede ajustarse para maximizar la radiación de longitudes de onda particulares, como las más adecuadas para calentar un objetivo específico como humanos o animales.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

La FIG. 1A representa una vista en planta de un calentador de infrarrojos dirigido de acuerdo con una realización de la presente divulgación;

La FIG. 1B representa una vista en sección transversal de un calentador de infrarrojos dirigido de acuerdo con una realización de la presente divulgación;

La FIG. 1C representa un cable eléctrico de acuerdo con una realización de la presente divulgación;

La FIG. 2A ilustra la transmitancia como una función de la longitud de onda para un miembro de nanotubos de carbono representativo de acuerdo con una realización de la presente divulgación;

La FIG. 2B ilustra características representativas de la absorción humana para un espectro de longitudes de onda infrarrojas;

La FIG. 3 representa un miembro de nanotubos de carbono de acuerdo con una realización de la presente divulgación;

La FIG. 4 representa una vista en sección transversal de una disposición en forma de masa filo de nanotubos dentro de una lámina de CNT de acuerdo con una realización de la presente divulgación;

La FIG. 5 representa un sistema para formar una lámina de nanotubos de carbono de acuerdo con una realización de la presente divulgación;

Las FIGS. 6A y 6B representan un sistema para la recogida de una lámina de nanotubos de carbono de acuerdo con una realización de la presente divulgación;

La FIG. 7A representa un calentador de infrarrojos dirigido de acuerdo con una realización de la presente divulgación que no es de acuerdo con la invención;

La FIG. 7B representa un calentador de infrarrojos dirigido de acuerdo con otra realización de la presente divulgación que no es de acuerdo con la invención;

La FIG. 8A representa un calentador de infrarrojos dirigido que tiene un espaciador de acuerdo con una realización de la presente divulgación;

La FIG. 8B representa un calentador de infrarrojos dirigido que tiene un espaciador de acuerdo con otra realización de la presente divulgación;

Las FIGS. 9A y 9B representan un calentador de infrarrojos dirigido cónico de acuerdo con realizaciones de la presente divulgación; y

Las FIGS. 10A y 10B representan un calentador de infrarrojos dirigido cilindrico de acuerdo con realizaciones de la presente divulgación.

DESCRIPCIÓN DE REALIZACIONES ESPECÍFICAS

La presente divulgación está dirigida a artículos de calentamiento y, en particular, a artículos basados en nanotubos para generar y dirigir energía infrarroja para el calentamiento remoto de un objetivo pretendido, como personas, objetos y similares.

En referencia a las FIGS. 1A y 1B, el calentador de infrarrojos dirigido 100 de la presente divulgación puede incluir generalmente uno o más miembros de nanotubos de carbono (CNT) 200, uno o más miembros reflectantes 300, y uno o más espaciadores 400. La energía eléctrica puede aplicarse al miembro de CNT 200 para generar energía infrarroja, y el miembro reflectante 300 puede servir para dar forma y dirigir la energía emitida hacia el objetivo a calentar. Los nanotubos de carbono, elaborados de acuerdo con las realizaciones de la presente invención, pueden actuar para irradiar eficientemente en el espectro infrarrojo lejano como resultado de una corriente eléctrica que pasa a través de ellos, como se muestra en la FIG. 2A. Esto crea un artículo de calentamiento eficiente que es capaz de irradiar en el infrarrojo lejano en todas las direcciones sin calentarse. El calentamiento por infrarrojos lejanos puede ser una forma eficiente de calentar un objetivo previsto (por ejemplo, personas u objetos), ya que típicamente no requiere tener que calentar el aire alrededor de la persona u objeto objetivo para lograr el efecto de calentamiento deseado. Como se muestra en la FIG. 2B y se analiza con más detalle más adelante en esta divulgación, los estudios han demostrado que la radiación infrarroja dentro del intervalo de aproximadamente 8 micras a 12 micras puede ser mejor absorbida por el cuerpo humano y por lo tanto puede ser mejor para aplicaciones de calentamiento humano.

Las fuentes eléctricas pueden conectarse al miembro de CNT 200 de la presente invención de cualquier manera adecuada. En una realización, puede conectarse una entrada, como uno o más conductores, mecánicamente, por ejemplo, mediante engarzado como se muestra en la FIG. 1C. En otra realización, puede depositarse un material conductor, como tinta de plata, sobre el miembro de CNT 200 para proporcionar una entrada o conductor adecuado. En otra realización más, puede aplicarse un precursor de carbono vítreo entre el miembro de CNT 200 y un conductor metálico u otra entrada adecuada para mejorar la conductividad entre los nanotubos del miembro de CNT 200 y el conductor metálico u otra entrada adecuada.

En la actualidad, existen múltiples procesos y variaciones de los mismos para el cultivo de nanotubos y la formación de hilos, láminas o estructuras de cable elaborados a partir de estos nanotubos. Entre ellos se incluyen: (1) Depósito químico de vapor (CVD), un proceso común que puede producirse a temperatura casi ambiente o a altas presiones, y a temperaturas por encima de aproximadamente 400° C, (2) Descarga por arco, un proceso a alta temperatura que puede dar lugar a tubos con un alto grado de perfección, y (3) ablación por láser.

La presente invención, en una realización, emplea un proceso de CVD o procedimientos similares de pirólisis en fase gaseosa conocidos en la industria para generar las nanoestructuras apropiadas, incluyendo los nanotubos de carbono. Las temperaturas de crecimiento para un proceso de CVD pueden ser comparativamente bajas y variar, por ejemplo, entre aproximadamente 400° C y aproximadamente 1350° C. Los nanotubos de carbono (CNT), tanto de pared simple (SWNT) como de pared múltiple (MWNT), pueden crecer, en una realización de la presente invención, mediante la exposición de partículas de catalizador nanoescaladas en presencia de gases reactivos que contienen carbono (es decir, fuente de carbono gaseoso). En particular, pueden introducirse partículas catalizadoras nanoescaladas en los gases que contienen carbono reactivo, ya sea por adición de partículas existentes o por síntesis in situ de las partículas a partir de un precursor metalorgánico, o incluso catalizadores no metálicos. Aunque pueden cultivarse tanto SWNT como MWNT, en algunos casos pueden seleccionarse los SWNT debido a su velocidad de crecimiento relativamente más alta y a su tendencia a formar estructuras en forma de cuerda, que pueden ofrecer ventajas en cuanto a manipulación, conductividad térmica, propiedades electrónicas y resistencia.

La resistencia de los nanotubos de carbono individuales generados en relación con la presente invención puede ser de aproximadamente 30 GPa o más. Como debe señalarse, la resistencia es sensible a los defectos. Sin embargo, el módulo elástico de los nanotubos de carbono fabricados en la presente invención puede no ser sensible a los defectos y variar entre aproximadamente 1 y aproximadamente 1,2 TPa. Además, la deformación hasta el fallo de estos nanotubos, que generalmente puede ser un parámetro sensible a la estructura, puede variar de aproximadamente un 10% a un máximo de aproximadamente un 25% en la presente invención.

Además, los nanotubos de la presente invención pueden tener un diámetro relativamente pequeño. En una realización de la presente invención, los nanotubos fabricados en la presente invención pueden proporcionarse con un diámetro en un intervalo de menos de 1 nm a aproximadamente 10 nm. Debe apreciarse que los nanotubos de carbono elaborados de acuerdo con una realización de la presente invención pueden ser de longitud extendida (es decir, tubos largos) en comparación con los nanotubos de carbono disponibles comercialmente. En una realización de la presente invención, los nanotubos fabricados en la presente invención pueden proporcionarse con una longitud en el intervalo de milímetros (mm).

Cabe señalar que, aunque en toda la solicitud se hace referencia a nanotubos sintetizados a partir de carbono, en la síntesis de nanotubos relacionados con la presente invención pueden usarse otros compuestos, como boro, MoS<2>, o una combinación de los mismos. Por ejemplo, debe entenderse que también pueden cultivarse nanotubos de boro, pero con precursores químicos diferentes. Además, cabe señalar que el boro también puede usarse para reducir la resistividad en nanotubos de carbono individuales. Además, para fabricar los nanotubos de la presente invención también pueden usarse otros métodos, como la CVD por plasma o similares.

Miembro de CNT 200

El miembro de CNT 200 puede incluir cualquier material eléctricamente conductor que contenga nanotubos de carbono. En una realización, el miembro de CNT 200 puede incluir una lámina no tejida de nanotubos o un hilo de nanotubos, como se describe con más detalle a continuación. En otra realización, el miembro de CNT 200 puede incluir una dispersión de nanotubos, como una película que contiene nanotubos o una tinta de nanotubos impresa. En otra realización más, el miembro de CNT 200 puede incluir una matriz de nanotubos. Para facilitar la referencia, el miembro de CNT 200 también puede denominarse en la presente miembro nanoestructurado.

Observando ahora la FIG. 3, la presente invención proporciona, en una realización, una tira de CNT 10 hecha de una lámina de CNT 12 nanoestructurada. La tira de CNT 10 puede diseñarse de manera que permita la conductividad eléctrica a lo largo de su longitud, es decir, dentro del plano de la lámina de CNT 12. Como se muestra en la FIG. 3, la tira de CNT 10 puede incluir un cuerpo sustancialmente planar en forma de una única lámina de CNT 12. La lámina 12 puede, en una realización, ser una única capa de una pluralidad de nanotubos de carbono no tejidos 14 depositados unos sobre otros a partir de una nube de CNT, o alternativamente ser múltiples capas 51, cada capa siendo una pluralidad de nanotubos no tejidos depositados unos sobre otros a partir de una nube de CNT (consultar la FIG. 4). En el caso de una lámina de múltiples capas, la pluralidad de nanotubos de carbono no tejidos forma una estructura de masa filo en la que cada capa incluye una pluralidad de nanotubos de carbono no tejidos depositados unos sobre otros a partir de una nube de CNT. En otras realizaciones, la tira de CNT 10 puede ser uno o más hilos de CNT. La tira puede ser un único hilo o una pluralidad de hilos agrupados o retorcidos para formar un hilo mayor. Ejemplos de hilos de CNT se describen en la Solicitud de Patente de Estados Unidos N° 7.993.620 (presentada el 17 de julio de 2006).

Con referencia ahora a la FIG. 5, se ilustra un sistema 30, similar al divulgado en la Patente de Estados Unidos 7,993,620, para su uso en la fabricación de nanotubos. El sistema 30, en una realización, puede estar acoplado a una cámara de síntesis 31. La cámara de síntesis 31, en general, incluye un extremo de entrada 311, en el que pueden suministrarse gases de reacción (es decir, fuente de carbono gaseoso), una zona caliente 312, donde puede producirse la síntesis de nanotubos de longitud extendida 313, y un extremo de salida 314 del que pueden salir y recogerse los productos de la reacción, concretamente, los nanotubos y los gases de escape. En una realización, la cámara de síntesis 31 puede incluir un tubo de cuarzo 315 que se extiende a través de un horno 316. Los nanotubos generados por el sistema 30, por otra parte, pueden ser nanotubos individuales de pared simple, haces de tales nanotubos, y/o nanotubos entrelazados de una única pared. En particular, el sistema 30 puede usarse en la formación de una lámina no tejida sustancialmente continua generada a partir de nanotubos compactados y entremezclados y que tenga suficiente integridad estructural para ser manipulada como una lámina.

En una realización, el sistema 30 de la presente invención, también puede incluir una carcasa 32 diseñada para ser sustancialmente hermética, para minimizar la liberación de partículas transportadas por el aire desde el interior de la cámara de síntesis 31 al medio ambiente. La carcasa 32 también puede actuar para evitar que se introduzca oxígeno en el sistema 30 y llegue a la cámara de síntesis 31. En particular, la presencia de oxígeno dentro de la cámara de síntesis 31 puede afectar a la integridad y comprometer la producción de los nanotubos 313. El sistema 30 también puede incluir un inyector similar a los divulgados en la Solicitud Número de Serie 12/140,263, incorporada aquí por referencia en su totalidad.

El sistema 30 también puede incluir una cinta móvil 320, colocada dentro de la carcasa 32, diseñada para recoger nanotubos sintetizados 313 elaborados a partir de un proceso de CVD dentro de la cámara de síntesis 31 del sistema 30. En particular, la cinta 320 puede usarse para permitir que los nanotubos recogidos en la misma formen posteriormente una estructura extensible 321 sustancialmente continua, por ejemplo, una lámina no tejida. Dicha lámina puede generarse a partir de una matriz de nanotubos 313 compactados, sustancialmente no alineados y entremezclados, haces de nanotubos o nanotubos entrelazados, con suficiente integridad estructural para ser manipulados como una lámina.

Para recoger los nanotubos fabricados 313, la cinta 320 puede colocarse adyacente al extremo de salida 314 de la cámara de síntesis 31 para permitir que los nanotubos se depositen en la cinta 320. En una realización, la cinta 320 puede colocarse sustancialmente paralela al flujo de gas desde el extremo de salida 314, como se ilustra en la FIG. 5. Alternativamente, la cinta 320 puede colocarse sustancialmente perpendicular al flujo de gas desde el extremo de salida 314 y puede ser de naturaleza porosa para permitir que el flujo de gas que transporta los nanomateriales pase a través de ella, como se muestra en las FIGS. 6A y 6B. En una realización, la cinta 320 puede estar diseñada para que se traslade de lado a lado en una dirección sustancialmente perpendicular al flujo de gas desde el extremo de salida 314, para generar una lámina que es sustancialmente más ancha que el extremo de salida 314. La cinta 320 también puede diseñarse como un bucle continuo, similar a una cinta transportadora convencional, de tal manera que la cinta 320 pueda rotar continuamente alrededor de un eje, con lo que múltiples capas sustancialmente distintas de CNT pueden depositarse en la cinta 320 para formar una lámina 321, como la que se muestra en la FIG. 4. Con tal fin, la cinta 320, en una realización, puede estar en bucle alrededor de elementos rotatorios opuestos 322 y puede ser accionada por un dispositivo mecánico, como un motor eléctrico. En una realización, el dispositivo mecánico puede controlarse mediante el uso de un sistema de control, como un ordenador o microprocesador, de manera que puedan optimizarse la tensión y la velocidad. El depósito de múltiples capas de CNT en la formación de la lámina 321, de acuerdo con una realización de la presente invención, puede resultar en la minimización de los contactos entre capas entre los nanotubos. Específicamente, los nanotubos en cada capa distinta de la lámina 321 tienden a no extenderse a una capa adyacente de la lámina 321. Como resultado, puede minimizarse la conductividad térmica de normal a plana a través de la lámina 321.

En la medida deseada, puede emplearse un aplicador de presión, como el rodillo 45. En referencia a las FIGS. 6A y 6B, la aplicación de presión puede estar situada adyacente a la cinta 44, que puede estar posicionada sustancialmente perpendicular al flujo de gas, para aplicar una fuerza de compactación (es decir, presión) sobre los nanomateriales recogidos. En particular, a medida que los nanomateriales son transportados hacia el rodillo 45, los nanomateriales de la cinta 44 pueden ser forzados para que se muevan por debajo y contra el rodillo 45, de tal manera que se puede aplicar una presión a los nanomateriales entremezclados mientras los nanomateriales se compactan entre la cinta 44 y el rodillo 45 formando una lámina 46 coherente sustancialmente unida. Para aumentar la presión contra los nanomateriales sobre la cinta 44, puede colocarse una placa 444 detrás de la cinta 44 para proporcionar una superficie dura contra la que pueda aplicarse la presión del rodillo 45. Debe tenerse en cuenta que el uso del rodillo 45 puede no ser necesario si los nanomateriales recogidos son amplios en cantidad y están suficientemente entremezclados, de tal manera que exista un número adecuado de sitios de contacto para proporcionar la fuerza de unión necesaria para generar la lámina 46. En varias realizaciones, las realizaciones de la lámina de CNT no tejida del miembro de CNT 200 pueden tener densidades de nanotubos de carbono que varían entre aproximadamente el 20% y aproximadamente el 90%, y preferiblemente alrededor del 80% en volumen.

Para desacoplar la lámina 46 de nanomateriales entremezclados de la cinta 44 para su posterior extracción de la carcasa 42, puede disponerse un bisturí o cuchilla 47 en sentido descendente del rodillo 45 con su borde contra la superficie 445 de la cinta 44. De esta manera, a medida que la lámina 46 se mueve en sentido descendente más allá del rodillo 45, la cuchilla 47 puede actuar para levantar la lámina 46 de la superficie 445 de la cinta 44. En una realización alternativa, una cuchilla no tiene que estar en uso para extraer la lámina 46. Más bien, la retirada de la lámina 46 puede ser manualmente a mano o por otros métodos conocidos en la técnica.

Además, puede proporcionarse un carrete o rodillo 48 en sentido descendente de la cuchilla 47, de tal manera que la lámina desacoplada 46 pueda dirigirse posteriormente sobre la misma y enrollarse alrededor del rodillo 48 para su recogida. A medida que la lámina 46 se enrolla en el rodillo 48, puede formarse una pluralidad de capas. Por supuesto, pueden usarse otros mecanismos, siempre que la lámina 46 pueda recogerse para retirarla posteriormente de la carcasa 42. En una realización, el rodillo 48, al igual que la cinta 44, puede ser accionado por un accionamiento mecánico, como un motor eléctrico 481, de tal manera que su eje de rotación puede ser sustancialmente transversal a la dirección de movimiento de la lámina 46.

Para minimizar la adherencia de la lámina 46 a sí misma mientras se está enrollando alrededor del rodillo 48, puede aplicarse un material de separación 49 (ver las FIGS. 6A y 6B) sobre un lado de la lámina 46 antes de enrollar la lámina 46 sobre el rodillo 48. El material de separación 49 para su uso en relación con la presente invención puede ser una de las varias láminas de metal o polímeros disponibles comercialmente que pueden suministrarse en un rollo continuo 491. A tal fin, puede tirarse del material de separación 49 junto con la lámina 46 sobre el rodillo 48 a medida que la lámina 46 se enrolla sobre el rodillo 48. Debe tenerse en cuenta que el polímero que comprende el material de separación 49 puede suministrarse en forma de lámina, líquido o cualquier otra forma, siempre que pueda aplicarse a un lado de la lámina 46. Además, como los nanotubos entremezclados dentro de la lámina 46 pueden contener nanopartículas catalíticas de un material ferromagnético, como Fe, Co, Ni, etc., en una realización, el material de separación 49 puede ser un material no magnético, por ejemplo, conductor o de otro tipo, a fin de evitar que la lámina 46 se adhiera fuertemente al material de separación 49. En una realización alternativa, puede no ser necesario un material de separación.

Después de que se haya generado la lámina 46, puede dejarse como lámina 46 o puede cortarse en segmentos más pequeños, como tiras. En una realización, puede usarse un láser para cortar la lámina 46 en tiras. El rayo láser puede, en una realización, estar situado adyacente a la carcasa de tal manera que el láser puede ser dirigido a la lámina 46, a medida que sale de la carcasa. Puede emplearse un ordenador o programa para controlar el funcionamiento del rayo láser y también el corte de la tira. En una realización alternativa, puede usarse cualquier medio mecánico u otros medios conocidos en la técnica para cortar la lámina 46 en tiras.

En la medida deseada, puede emplearse un campo electrostático (no mostrado) para alinear los nanotubos, generados de la cámara de síntesis 31, aproximadamente en una dirección de movimiento de la cinta. En una realización, el campo electrostático puede generarse colocando, por ejemplo, dos o más electrodos circunferencialmente sobre el extremo de salida 314 de la cámara de síntesis 31 y aplicando un alto voltaje a los electrodos. El voltaje, en una realización, puede variar de aproximadamente 10 V a aproximadamente 100 kV, y preferiblemente de aproximadamente 4 kV a aproximadamente 6 kV. Si es necesario, los electrodos pueden protegerse con un aislante, como un pequeño cuarzo u otro aislante adecuado. La presencia del campo eléctrico puede hacer que los nanotubos que se mueven a través de él se alineen sustancialmente con el campo, de manera que se imparta una alineación de los nanotubos en la cinta en movimiento.

Alternativamente, los nanotubos de carbono pueden alinearse por estiramiento tras la síntesis de las láminas de nanotubos de carbono, como se indica en la Solicitud de Estados Unidos en tramitación 12/170.092, que se incorpora en la presente por referencia en su totalidad.

El sistema 30, como se ha indicado, puede proporcionar nanomateriales a granel de alta resistencia en una lámina no tejida, como se muestra en la FIG. 4. Los nanotubos de carbono 14, en una realización, pueden depositarse en múltiples capas distintas 51 a partir de una estructura o morfología multicapa en una única lámina de CNT 12, como se muestra en la FIG. 4. Como se ha indicado anteriormente, la lámina no tejida nanofibrosa 110 puede elaborarse a partir del depósito de múltiples capas distintas de nanotubos de carbono SWNT o MWNT. En una realización, la resistencia a la tracción de dicha lámina no tejida 110 puede ser superior a 40 MPa para SWNT. Además, dicha lámina puede usarse con catalizador residual procedente de la formación de los nanotubos. Sin embargo, los residuos típicos pueden ser menores del 2 por ciento atómico.

Al proporcionar los nanomateriales en una lámina no tejida, los nanomateriales a granel pueden manipularse fácilmente manteniendo al mismo tiempo la integridad estructural y procesarse posteriormente para aplicaciones de uso final. Las láminas no tejidas y los hilos de nanotubos de la presente divulgación pueden presentar una serie de características beneficiosas para aplicaciones de calentamiento. Estos materiales son conductores de la electricidad, tienen baja masa térmica, son muy flexibles y resistentes a la degradación química.

Para fabricar hilos de nanotubos también puede usarse un sistema similar al sistema 30. Para fabricar los hilos, la carcasa 32 puede sustituirse por un aparato para recibir los nanotubos del horno 316 e hilarlos en hilos. El aparato puede incluir un husillo rotatorio que puede recoger los nanotubos a medida que salen del tubo 315. El husillo rotatorio puede incluir un extremo de entrada en el que pueden introducirse una pluralidad de tubos e hilarlos en un hilo. La dirección de giro puede ser sustancialmente transversal a la dirección de movimiento de los nanotubos a través del tubo 315. El husillo rotatorio también puede incluir una vía a lo largo de la cual puede guiarse el hilo hacia un extremo de salida del husillo. A continuación, el hilo puede recogerse en un carrete.

Debe apreciarse que los nanotubos de carbono elaborados de acuerdo con una realización de la presente invención pueden no requerir tratamiento con un surfactante, y pueden ser de por lo menos tres órdenes de magnitud mejores en conductividad eléctrica y conductividad térmica. Además, las láminas de nanotubos de carbono elaboradas de acuerdo con una realización de la presente invención pueden incluir una pluralidad de capas.

En varias realizaciones, el miembro de CNT 200 puede incluir además aditivos para mejorar la emisión infrarroja. En particular, en varias realizaciones, pueden usarse aditivos para influir en las longitudes de onda de la energía infrarroja producida. Por ejemplo, en una realización, los aditivos pueden incluirse para ajustar las longitudes de onda de la energía emitida en el intervalo de 3-6 micras para que se emita en su lugar en el intervalo de 8-12 micras. Ejemplos de aditivos adecuados para el propósito descrito incluyen, sin limitación, materiales foto luminiscentes materiales fosforescentes. Un experto en la técnica reconocerá otros aditivos adecuados dentro del ámbito de la presente divulgación que son adecuados para el propósito indicado.

Miembro carbonoso 500

En varias realizaciones, puede usarse un miembro 500 que incluya un material carbonoso (en lo sucesivo denominado miembro carbonoso 500) en lugar del miembro de CNT 200. Por consiguiente, debe reconocerse que aunque la presente divulgación describe principalmente el calentador de infrarrojos dirigido 100 como que comprende el miembro de CNT 200, en varias realizaciones, el calentador de infrarrojos dirigido 100 puede incluir adicional o alternativamente el miembro carbonoso 500. Al igual que el miembro de CNT 200, algunas realizaciones del miembro carbonoso 500 pueden incluir aditivos para mejorar su capacidad de generar energía infrarroja y/o ayudar a adaptar la longitud o longitudes de onda de la energía infrarroja generada.

El miembro carbonoso 500 puede incluir cualquier material carbonoso eléctricamente conductor capaz de emitir energía infrarroja cuando se le aplica una corriente eléctrica. Ejemplos representativos de materiales carbonosos adecuados incluyen, sin limitación, grafeno, grafito y negro de humo. En algunos casos, el material carbonoso puede estar disponible comercialmente en láminas, como una lámina de Grafoil o una lámina de grafeno; sin embargo, en otros casos, puede ser necesario acoplar el material carbonoso a un sustrato u otra forma de soporte para formar el miembro carbonoso 500. Por ejemplo, en algunas realizaciones, el material carbonoso, como una tinta a base de grafito o negro de humo conductor, puede recubrirse o depositarse sobre el sustrato. Muchas de estas tintas están disponibles comercialmente de empresas como DuPont y Mereco.

En otra realización más, el miembro de CNT 200 puede combinarse con un material carbonoso para formar un material híbrido. Por ejemplo, el miembro de CNT 200 puede empaparse en tinta de grafeno, tinta de negro de carbono, o similares, para formar el material híbrido. Las concentraciones representativas de la tinta pueden variar hasta aproximadamente el 50% en volumen en el miembro de CNT 200. El material híbrido resultante puede presentar una mayor conductividad.

Miembro reflectante 300 y espaciador 400

En referencia ahora a las Figs. 7A y 7B, el calentador de infrarrojos dirigido 100 puede comprender además un miembro reflectante 300. En varias realizaciones, el miembro reflectante 300 puede configurarse para dirigir la energía infrarroja generada por el miembro de CNT 200 en una dirección o direcciones deseadas. Adicional o alternativamente, el miembro reflectante 300 puede estar configurado para concentrar la energía infrarroja dirigida para mejorar su efecto y eficiencia.

En una realización, el miembro reflectante 300 puede ser de cualquier material y construcción adecuados para reflejar la energía infrarroja emitida desde el miembro de CNT 200. Ejemplos de materiales reflectantes pueden incluir, sin limitación, plata, oro u otros materiales metálicos con propiedades capaces de reflejar la energía infrarroja emitida desde el miembro de CNT 200. En realizaciones preferidas, el miembro reflectante 300 debería ser capaz de reflejar por lo menos el 80% de la energía infrarroja emitida desde el miembro de CNT 200 para evitar calentar el propio miembro reflectante 300. La mayoría de los metales son típicamente capaces de reflejar entre aproximadamente el 85% y el 95% de la energía infrarroja, mientras que el oro y metales similares se desempeñan en el extremo superior del espectro con aproximadamente un 97% de efectividad. En una realización, el miembro reflectante 300 puede incluir un material reflectante autónomo, como Mylar o Mylar aluminizado. En otra realización, el miembro reflectante 300 puede incluir un material reflectante que se deposita o se aplica o soporta de otro modo a un sustrato. Para el soporte estructural del material reflectante puede utilizarse cualquier sustrato adecuado, como una película polimérica. El material reflectante y el sustrato de soporte pueden unirse de cualquier manera adecuada, incluyendo, sin limitación, el depósito del material reflectante sobre el sustrato, el uso de un agente de acoplamiento (por ejemplo, adhesivo), o la aplicación de materiales para sellar el material reflectante contra una superficie del sustrato (por ejemplo, una capa sellante polimérica). Un experto en la técnica reconocerá que se trata de ejemplos meramente ilustrativos de materiales reflectantes adecuados, sustratos y combinaciones de los mismos, y que no se pretende que la presente invención se limite únicamente a estas realizaciones ilustrativas.

El miembro de CNT 200 y el miembro reflectante 300 pueden acoplarse entre sí para formar el calentador de infrarrojos dirigido 100. En una realización, el miembro de CNT 200 y el miembro reflectante 300 pueden unirse usando un adhesivo como acrilato sensible a la presión o acrílicos termoestables. En otra realización, el miembro de CNT 200 puede laminarse con el miembro reflectante 300. Una configuración de ejemplo incluye una lámina no tejida de nanotubos que tiene una densidad de área de nanotubos de aproximadamente 10 gramos por metro cuadrado (gsm) laminada a un Mylar o Mylar aluminizado. Por supuesto, puede usarse cualquier método medios adecuados para acoplar el miembro de CNT 200 y el miembro reflectante 300.

La FIG. 7B ilustra una realización flexible del calentador de infrarrojos dirigido 100 que incluye una lámina flexible de CNT 200 y un miembro reflectante flexible 300, que está estampado para mejorar sus propiedades reflectantes.

En referencia ahora a las FIGS. 8A y 8B, el calentador de infrarrojos dirigido 100 puede incluir además un espaciador 400 situado entre el miembro de CNT 200 y el miembro reflectante 300. El espaciador 400 puede estar configurado para mantener un espaciado predeterminado entre el miembro de CNT 200 y el miembro reflectante 300. Aunque en la FIG. 7 el miembro reflectante 300 está situado directamente contra el miembro de CNT 200, debe reconocerse que la eficacia del calentador de infrarrojos dirigido 100 puede mejorarse colocando estos componentes a una distancia entre sí para minimizar la interferencia destructiva entre la radiación emitida y la radiación reflejada. Como el espaciador 400 está situado entre estos componentes, en varias realizaciones, el espaciador 400 puede estar hecho de un material adecuado para permitir que la energía infrarroja pase a través del mismo con una interferencia mínima. En una realización, el espaciador 400 puede incluir una estructura de nido de abeja u otra estructura adecuada para proporcionar integridad estructural adicional al calentador 100. Por supuesto, el espaciador 400 no tiene por qué ser otra capa de material, sino que puede incluir cualquier estructura adecuada para mantener un espaciado deseado entre el miembro de CNT 200 y el miembro reflectante 300 (por ejemplo, un bastidor, una pluralidad de objetos u otra estructura). La FIG. 8B ilustra una realización en la que el espaciador 400 está construido de espuma.

Una configuración de ejemplo incluye un miembro de CNT 200 (por ejemplo, una lámina no tejida de nanotubos) laminado a un lado de un espaciador 400 (por ejemplo, una estructura de panal), y un miembro reflectante 300 (por ejemplo, una lámina de Mylar) laminado al otro lado del espaciador 400. El espesor del espaciador 400 puede elegirse para proporcionar un espaciado entre el miembro de CNT 200 y el miembro reflectante 300 adecuado para minimizar la interferencia destructiva, como se describe a continuación.

En varias realizaciones, el miembro reflectante 300 puede colocarse con respecto al miembro de CNT 200 a una distancia configurada para minimizar cualquier interferencia destructiva que pueda producirse cuando la energía infrarroja emitida por el miembro de CNT 200 se refleja en el miembro reflectante 300. La interferencia destructiva se produce típicamente cuando las ondas incidentes interactúan sustancialmente fuera de fase entre sí. En una realización, esto puede minimizarse por el espaciamiento del miembro reflectante 300 de la fuente de energía infrarroja en aproximadamente la mitad de la longitud de onda de la energía infrarroja deseada. Por ejemplo, si se desea reflejar la energía infrarroja que tiene una longitud de onda de aproximadamente 11 micras, el miembro reflectante 300 puede colocarse a aproximadamente 5,5 micras de la fuente de esa energía infrarroja.

En algunas aplicaciones, puede desearse reflejar tanta energía infrarroja como sea posible hacia un objetivo, independientemente de su longitud de onda. En tal caso, el miembro reflectante 300 puede colocarse a una distancia del miembro de CNT 200 adecuada para minimizar la interferencia destructiva de la longitud de onda predominante de la energía infrarroja generada por el miembro de CNT 200. Por ejemplo, si la lámina de CNT genera energía infrarroja que tiene una gama de longitudes de onda, con la mayoría de la radiación que tiene una longitud de onda de 10 micras, el miembro reflectante puede colocarse a una distancia igual a la mitad de esa longitud de onda predominante, es decir, a una distancia de 5 micras.

En otras aplicaciones, puede desearse reflejar la energía infrarroja de una longitud de onda particular, independientemente de si es la longitud de onda predominante emitida por el miembro 200 de CNT. En tales aplicaciones, puede usarse el espaciado, en cierta medida, para filtrar la energía infrarroja emitida de longitudes de onda no deseadas, y en su lugar dirigir principalmente esa energía infrarroja de la longitud de onda deseada hacia una persona u objeto a calentar.

La determinación del espaciado adecuado entre el miembro reflectante 300 y el miembro de CNT 200 puede requerir una aproximación de la profundidad dentro del miembro de CNT 200 desde la que se emite la mayor parte de la energía infrarroja que se desea reflejar. Esto puede depender de una serie de propiedades del miembro de CNT 200 que incluyen, por ejemplo, su espesor, la distribución de la densidad de los nanotubos, y el grado de uniformidad de los nanotubos contenidos en el mismo. En una realización, la fuente de la energía infrarroja puede aproximarse a la superficie del miembro de CNT 200, especialmente si el miembro de CNT 200 es muy delgado y/o tiene en su superficie altas densidades de los tipos de nanotubos responsables de generar la longitud de onda deseada de energía infrarroja. En otra realización, la fuente de la energía infrarroja puede aproximarse bajo la superficie del miembro de CNT 200 si, por ejemplo, el miembro de CNT 200 es más grueso y/o ha situado dentro de su espesor densidades altas de los tipos de nanotubos responsables de generar la longitud de onda deseada de energía infrarroja. Un experto en la técnica reconocerá un espaciamiento apropiado para una aplicación dada y la construcción del miembro de CNT 200 basándose en las enseñanzas de la presente divulgación.

En una realización preferida, el calentador de infrarrojos dirigido 100 puede configurarse con los materiales y el espaciado apropiados para lograr una reflexión de infrarrojos lejanos de más de aproximadamente el 70% en el intervalo de longitudes de onda deseado. En varias realizaciones, el espaciado puede ajustarse para minimizar la interferencia destructiva de la energía infrarroja que tiene longitudes de onda entre aproximadamente 8 micras y 12 micras. Los estudios han demostrado que la energía infrarroja que tiene longitudes de onda dentro de este intervalo es más eficaz para calentar a los humanos, como se ilustra en la FIG. 2B. Por supuesto, no se pretende que la presente divulgación esté limitada a esto, y el calentador de infrarrojos dirigido 100 puede configurarse para generar y dirigir energía infrarroja de cualquier longitud de onda o intervalo de longitudes de onda adecuados para una aplicación dada.

En algunas realizaciones, el artículo de radiador de infrarrojos dirigido 100 puede incluir además un miembro de cubierta para proteger el miembro de CNT 200 de daños físicos y de la exposición a los elementos o a productos químicos nocivos. Debe apreciarse que en el miembro de cubierta debe ser suficientemente transparente a la energía infrarroja para no inhibir la energía infrarroja emitida y reflejada que se dirige a través de ella hacia el objetivo. Las FIGS. 7b y 8B ilustran realizaciones del artículo de radiador de infrarrojos dirigido 100 que incluyen dicho miembro de cubierta.

En referencia ahora a las FIGS. 9A-9B y 10A-10B, en varias realizaciones, el calentador de infrarrojos dirigido 100 puede conformarse para formar un perfil controlado de energía infrarroja, como un haz enfocado o un cono difuso de radiación. A tal fin, el miembro de CNT 200, el miembro reflectante 300 y (opcionalmente) el espaciador 400 pueden conformarse y acoplarse de cualquier manera adecuada para reflejar la energía infrarroja emitida desde el miembro de CNT 200 para formar el perfil deseado. En una realización, como se muestra en la FIG. 9A, estos componentes pueden unirse para formar un calentador cónico 100 que tiene el miembro de CNT 200 formando una superficie interior del cono y miembro reflectante 300 formando una superficie exterior del cono. En tal configuración, el miembro reflectante 300 puede servir para concentrar la energía infrarroja emitida por el miembro de CNT 200 dentro del cono y dirigirla fuera del extremo abierto del cono hacia una persona u objeto a calentar. En otra realización, como se muestra en la FIG. 9B, las posiciones del miembro de CNT 200 y el miembro reflectante 300 pueden invertirse en el calentador con forma de cono, de tal manera que el miembro reflectante 300 sirve para dirigir un amplio y difuso conjunto de energía infrarroja hacia afuera y hacia el punto del cono. Por supuesto, se prevén realizaciones similares para otros tipos de formas cóncavas y convexas. En realizaciones adicionales, el calentador de infrarrojos dirigido 100 puede tener forma cilíndrica, como se muestra en las FIGS. 10A y 10B, para enfocar la energía infrarroja hacia una persona u objeto situado hacia su centro o para dirigir energía más difusa hacia afuera, hacia personas u objetos situados alrededor del calentador cilíndrico 100, respectivamente. En otra realización más, el calentador de infrarrojos dirigido 100 puede tener una forma sustancialmente plana, como se muestra en las FIGS. 1A y 1B. Tal realización puede usarse para dirigir energía infrarroja normal a su superficie para calentar una persona u objeto situado en frente de esa superficie. Por supuesto, estas son configuraciones meramente ilustrativas, y los expertos en la técnica reconocerán cualquier número de configuraciones adecuadas dentro del alcance de la presente divulgación.

Ventajas y aplicaciones

Los calentadores de infrarrojos dirigidos de la presente divulgación presentan una buena conducción eléctrica a la vez que son lo suficientemente resistentes como para proporcionar calentamiento óhmico.

La baja masa térmica de estos calentadores les permite calentar a personas u objetos con relativa rapidez y, a diferencia de muchos otros tipos de calentadores, no permanecen calientes durante un largo periodo de tiempo después de apagarse. Esto reduce la posibilidad de cualquier riesgo para la seguridad asociado al uso de estos calentadores, y también mejora la precisión con la que pueden usarse estos calentadores en varias aplicaciones.

Además, los calentadores de la presente divulgación pueden ser muy flexibles y pueden doblarse, por ejemplo, a través de radios extremos sin romperse ni comprometer la capacidad de calentamiento por infrarrojos. A diferencia de los metales o la cerámica, no se rompen ni se fatigan con tanta facilidad, no se corroen y son impermeables a los productos químicos.

Varias realizaciones de los calentadores de infrarrojos dirigidos divulgados en la presente pueden usarse en una variedad de aplicaciones. En varias realizaciones, los calentadores pueden usarse para proporcionar calor a seres humanos. Por ejemplo, pueden incorporarse a toldos, paraguas, mantas térmicas, envolturas corporales, asientos de coche, paneles laterales de coche, revestimientos de incubadoras de bebés y similares. En otras realizaciones, los calentadores pueden usarse para calentar objetos a distancia. En otra realización, los calentadores pueden usarse en un colchón de cultivo para plantas. El calentamiento por infrarrojos a distancia proporcionado por los calentadores divulgados en la presente proporcionan aplicaciones de calentamiento eficientes sin los inconvenientes de calentar el espacio que rodea a una persona u objeto a calentar.

Aunque la presente invención se ha descrito con referencia a ciertas realizaciones de la misma, los expertos en la técnica deben entender que pueden introducirse varios cambios sin apartarse del alcance de la invención. Además, pueden hacerse muchas modificaciones para adaptarse a una situación, indicación, material y composición de la materia, paso o pasos del proceso particulares, sin apartarse del alcance de la presente invención. Se pretende que todas estas modificaciones estén incluidas en el alcance de las reivindicaciones adjuntas.

Claims (11)

REIVINDICACIONES

1. Un artículo para emitir energía infrarroja dirigida, que comprende:

un miembro nanoestructurado (200) que incluye una pluralidad de nanotubos (14), el miembro estando configurado para emitir energía infrarroja cuando se aplica una corriente eléctrica;

un elemento reflector (300) configurado para dirigir por lo menos una parte de la energía infrarroja emitida en una dirección deseada para calentar un objetivo situado a distancia; y

uno o más espaciadores (400) situados entre el miembro nanoestructurado y el miembro reflectante para mantener un espaciado predeterminado entre ellos;

caracterizado porqueuno o más espaciadores tienen un espesor igual a aproximadamente la mitad de una longitud de onda deseada de la radiación infrarroja que debe dirigirse en la dirección deseada para calentar el objetivo situado a distancia.

2. Un artículo como se expone en la reivindicación 1, en donde el miembro nanoestructurado incluye una pluralidad de nanotubos entremezclados colocados uno encima del otro para formar una estructura continua que tiene un número adecuado de sitios de contacto entre nanotubos adyacentes para proporcionar la fuerza de unión necesaria con suficiente integridad estructural para ser manejado como una lámina.

3. Un artículo como se expone en la reivindicación 2, en donde el miembro nanoestructurado incluye una pluralidad de capas de nanotubos no tejidos depositados unos sobre otros para formar una estructura de masa filo.

4. Un artículo como se expone en la reivindicación 1, en donde el material no tejido tiene una densidad de área de nanotubos de aproximadamente 10 gramos por metro cuadrado.

5. Un artículo como se expone en la reivindicación 1, en donde el miembro reflectante es un material reflectante autónomo o incluye un material reflectante depositado sobre un sustrato.

6. Un artículo como se expone en la reivindicación 1, en donde el miembro nanoestructurado y el miembro reflectante están acoplados directamente entre sí.

7. Un artículo como se expone en la reivindicación 6, en donde el espaciador tiene un espesor de entre aproximadamente 4 micras y aproximadamente 6 micras.

8. Un artículo como se expone en la reivindicación 7, en donde el espaciador está configurado para separar el miembro nanoestructurado y el miembro reflectante para minimizar la interferencia destructiva de la radiación infrarroja emitida que tiene longitudes de onda que varían entre aproximadamente 8 micras y aproximadamente 12 micras.

9. Un artículo como se expone en la reivindicación 1, en donde el miembro reflectante forma una superficie exterior del artículo para concentrar la energía infrarroja emitida dentro de una parte central del artículo.

10. Un artículo como se expone en la reivindicación 1, en donde el miembro reflectante forma una superficie interior del artículo para dirigir la energía infrarroja emitida hacia el exterior.

11. Un artículo como se expone en la reivindicación 1, en donde el espaciado predeterminado es igual a aproximadamente la mitad de cualquiera de

i) una longitud de onda deseada de la radiación infrarroja que se va a reflejar en la dirección deseada para calentar el objetivo situado a distancia, o

ii) una longitud de onda predominante de la radiación infrarroja emitida por el miembro nanoestructurado.