JP2006134672A - 面状発熱体、および面状発熱体を用いた発熱ブロック - Google Patents

Abstract

【課題】カーボングラファイトのシートを絶縁フィルムで被覆した面状発熱体を上下のパネル状ブロック間に挟着して保持するようにした発熱パネルにおいて、外部から力が加わったときにカーボングラファイトシートが破断して断線するのを防止する。
【解決手段】カーボングラファイトシート１０に３軸組布の補強シート１２または強化繊維の織布１６を傘ね、上下から絶縁フィルム１３で包囲して面状発熱体とする。そしてこの面状発熱体を上下一対のパネル状ブロックの間に挟着し、エポキシ樹脂によって固定する。
【選択図】 図１

Description

本発明は面状発熱体、および面状発熱体を用いた発熱ブロックに係り、とくにカーボングラファイトのシートであって、通電すると発熱する面状発熱体と、この面状発熱体を応用した発熱ブロックに関する。

所定の抵抗値を有する抵抗体に電流を通ずると、ジュール熱が発生して発熱する。従ってこのようなジュール熱による発熱を利用した装置が広く用いられている。すなわち電気コンロや電熱式発熱装置が従来より公知である。

従来のこの種の電熱を用いた発熱装置は、例えばニクロム線をコイル状に巻いたものを所定の形状に配列しているために、厚さ方向の寸法が大きくなる欠点がある。そこで例えばリボン状をなす抵抗板によって発熱装置を組立てるようにした発熱装置が知られている。ここでも抵抗板は、数ミリメータの厚さを有し、しかも絶縁手段を介して基板上に取付けられる構造になっているために、厚さ方向の寸法あるいは高さ方向の寸法が大きくなる欠点がある。

一方で天然に存在するグラファイト（黒鉛）を圧延すると、グラファイトシートが得られる。あるいはまたアクリロニトリルを用いたアクリル樹脂フィルム等の有機合成フィルムを無酸素下で焼成すると、シート状のグラファイトが得られる。このようなグラファイトシートは、柔軟性および圧縮性弾性があり、しかも相手材とのなじみが良いために、ガスケットやパッキンの材料として用いられていた。

ところがグラファイトシートの電気的特性、すなわち所定の抵抗値を有する導体であるという性質を利用して、本願発明者は、例えば特開２００３−２７２８０７号公報によって、面状発熱体を提案している。このような面状発熱体は、カーボングラファイトシートを打抜いて任意の形状とすることができるために、厚さ方向の寸法が非常に小さな面状発熱体を提供できるようになる。

ところが天然のグラファイトを圧延したグラファイトシートは機械的強度が低いために、外力が加わると、その電気的特性が変化したり、あるいはまた断線したりする可能性がある。さらには通電によって経時的に電気的特性が変化する可能性がある。
特開２００３−２７２８０７号公報

本願発明の課題は、外力が加わっても、破断したり断線したりすることがなく、これによって安定に発熱を行ない得るようにした面状発熱体、およびこの面状発熱体を用いた発熱ブロックを提供することである。

本願発明の別の課題は、通電することによって電気的特性が変化することがなく、所期の発熱特性を安定に維持することができる面状発熱体、およびこの面状発熱体を用いた発熱ブロックを提供することである。

本願発明のさらに別の課題は、大きな力が加わる場所で使用しても、発熱特性が阻害されることがない面状発熱体、およびこの面状発熱体を用いた発熱ブロックを提供することである。

本願発明のさらに別の課題は、高い信頼性を有する面状発熱体、およびこの面状発熱体を用いた発熱ブロックを提供することである。

本願発明の上記の課題および別の課題は、以下に述べる本願発明の技術的思想およびその実施の形態によって明らかにされよう。

本願の主要な発明は、所定の形状のカーボングラファイトのシートであって、通電すると発熱する面状発熱体において、
前記カーボングラファイトのシートに強化繊維の補強シートを接合したことを特徴とする面状発熱体に関するものである。

ここで補強シートが強化繊維の２軸または３軸の組布であって、ネット状をなしてよい。また補強シートが強化繊維を１軸方向または２軸方向に引揃えて配列したシートであってよい。また補強シートが強化繊維の織布または編組布であってよい。また前記補強シートが接合されたカーボングラファイトのシートを高分子フィルムで包むようにしてよい。

本願の別の主要な発明は、所定の厚さのブロックの間に、カーボングラファイトのシートから成る面状発熱体を配した発熱ブロックにおいて、
前記面状発熱体を構成するカーボングラファイトのシートに強化繊維の補強シートを接合したことを特徴とする発熱ブロックに関するものである。

ここで前記補強シートが接合されたカーボングラファイトのシートを高分子フィルムで包むようにしてよい。また前記面状発熱体が接着剤によって両側のブロックに挟着固定されてよい。また少なくとも一方の接合面に凹部が形成され、該凹部に前記面状発熱体が収納されてよい。また両側のブロックが段差から成る位置決め部によって互いに位置決めされてよい。また両側のブロックが一方のブロックに埋設された位置決めピンによって互いに位置決めされてよい。また両側のブロックがそれらを貫通するボルトによって互いに固着されてよい。

面状発熱体に関する主要な発明は、所定の形状のカーボングラファイトのシートであって、通電すると発熱する面状発熱体において、カーボングラファイトのシートに強化繊維の補強シートを接合したものである。

従ってこのような面状発熱体によれば、カーボングラファイトのシートに接合された強化繊維の補強シートによってカーボングラファイトのシートが補強される。従ってカーボングラファイトのシートが補強シートによって補強されて外部からの力による変形や、内部の経時的な変形を防止することになり、これによってカーボングラファイトのシートが安定的に発熱するようになり、信頼性の高い面状発熱体が提供される。

本願の別の主要な発明は、所定の厚さのブロックの間に、カーボングラファイトのシートから成る面状発熱体を配した発熱ブロックにおいて、面状発熱体を構成するカーボングラファイトのシートに強化繊維の補強シートを接合したものである。

従ってこのような発熱ブロックによれば、補強シートによって補強されたカーボングラファイトのシートが発熱することになり、これによって信頼性の高い発熱ブロックが提供される。

以下本願発明を、図示の実施の形態によって説明する。図１〜図３は第１の実施の形態の面状発熱体を示すものであって、この実施の形態の面状発熱体は、その発熱部としてカーボングラファイトシート１０を備えている。カーボングラファイトシート１０は帯状をなすシートを屈曲する形状に打抜いたものである。なおその形状は、とくに電流通路の幅によって抵抗値が変化するために、発熱量に応じた形に打抜かれる。

一般に炭素はダイヤモンド、グラファイト（黒鉛）、および無定形炭素の状態で安定に存在する。その内とくにグラファイトは、黒色不透明であって六方晶系の結晶構造を有し、電気および熱の導体である。とくにグラファイト（黒鉛）は天然に存在する。そして天然のグラファイトを圧延することによってグラファイトシートが得られる。またアクリロニトリルを用いたアクリル樹脂フィルム等の有機合成フィルムを無酸素下で焼成すると、シート状のグラファイトが得られる。

シート状のグラファイトは柔軟性および圧縮弾性があり、しかも相手材とのなじみが良いために、ガスケットやパッキンの原料として用いられている。本実施の形態においてはこのようなグラファイトシートの電気的特性、すなわち所定の抵抗を有する導体であるという性質に着目し、このグラファイトシート１０によって面状発熱体を構成するようにしている。

厚さが０．２〜２ｍｍの範囲内のカーボングラファイトシート１０を所定の形状に打抜くとともに、その両端にそれぞれ銅板または銅箔から成る電極１１を設ける。そして電極１１の部分に半田あるいは導電性接着剤等によってリード線を接続する。そして上記リード線を通してカーボングラファイトシート１０に通電を行なうと、このカーボングラファイトシート１０がジュール熱によって発熱する。

このようなカーボングラファイトシート１０は補強シート１２と接合される。補強シート１２としては、例えばガラス繊維や高弾性ビニロン繊維、あるいはアラミド繊維によって構成される３軸組布が用いられてよい。すなわち縦方向の糸に対して、図２に示すように斜め右上りの斜めの糸と左上りの斜めの糸とを交錯させ、これによってネット状に形成した補強シート１２を用いる。

そしてこのような補強シート１２とカーボングラファイトシート１０とをその両側から絶縁フィルム１３によって挟着する。そして上記カーボングラファイトシート１０、補強シート１２、および両側の絶縁フィルム１３を例えばエポキシ樹脂等の接着剤によって接着することにより、偏平な面状発熱体２０を得る。図３はこのような面状発熱体２０の断面構造を示している。なお上下に接合される絶縁フィルム１３としては、ポリエステルや液晶ポリマ等が適宜利用される。とくに高い耐熱性を必要とする場合には、液晶ポリマを用いることが好ましい。

図４は上記実施の形態の変形例を示している。ここでは３軸組布から成る補強シート１２に代えて、通常の織布から成る補強シート１６を用いるようにし、この補強シート１６をカーボングラファイトシート１０と接合している。ここで織布から成る補強シート１６は、例えばカーボンファイバの繊維を縦横２方向にそれぞれリボン状に引揃えて平織りで織込んだシートであってよい。あるいはアラミド繊維を縦横２方向に平織りあるいは朱子織りに織込んだシートであってよい。そしてこのような補強シート１６が上述の如く接着剤を介してカーボングラファイトシート１０と接合されるようになっており、しかもその両側にはポリエステル樹脂あるいは液晶ポリマから成る絶縁フィルム１３が接合され、面状発熱体２０が形成される。

上記実施の形態あるいは変形例の面状発熱体２０は、カーボングラファイトシート１０と接合される補強シート１２、１６によってとくにその面方向に大きな強力を有することになる。従って外部から力が加わっても、この力を補強シート１２、１６で受けることになり、カーボングラファイトシート１０に外力が加わらなくなる。従ってカーボングラファイトシート１０が外力によって破断することがなく、断線事故が防止される。また上記補強シート１２、１６がカーボングラファイトシート１０に対して補強材としてカーボングラファイトシート１０を固定する機能を果すことになる。従って通電してもカーボングラファイトシート１０の経時的な変形が起り難くなり、これによって発熱作用を安定的に維持できるようになる。

このようなカーボングラファイトシート１０は図５および図６に示すように、上下一対のパネル状ブロック２１、２２間に挟着される。すなわち面状発熱体２０を挟み、その上下からパネル状ブロック２１、２２によって挟着する。なお面状発熱体２０に対するパネル状ブロック２１、２２との結合は、例えばエポキシ樹脂層２３が用いられる。

ここでパネル状ブロック２１、２２は、セラミック材、コンクリート材、木材、木質系複合材、合成樹脂材、その他各種の材料が用いられる。すなわちこの面状発熱体２０を挟着した上下一対のパネル状ブロック２１、２２の用途に応じて各種の材料が利用される。

例えば上記パネル状ブロック２１、２２を木材または木質系の材料で構成した場合には、これによって床暖房用のブロックが得られる。またパネル状ブロック２１、２２をセラミック系の材料によって構成すると、風呂の床材を得ることが可能になる。その他道路の敷石等に用いることができる。そして上記面状発熱体２０のカーボングラファイトシート１０に通電を行なうことによって、このブロックが内部から発熱するようになる。

図７は変形例の発熱パネルを示しており、ここでは上下のパネル状ブロック２１、２２の内の一方、例えば下側のパネル状ブロック２２の上面に凹部２５を形成し、この凹部２５内に面状発熱体２０を収納保持するようにしている。なおこのような構成に代えて図８に示すように、上下一対のパネル状ブロック２１、２２の内の上側のパネル状ブロック２１の下面に凹部２５を形成し、この凹部２５内に面状発熱体２０を収納してもよい。このような場合においても、面状発熱体２０はエポキシ樹脂によって上下のパネル状ブロック２１、２２に接合固定されることが好ましい。

図９は変形例を示している。ここでは上下一対のパネル状ブロック２１、２２の内の一方、例えば上側のパネル状ブロック２１の下面に互いに分割された複数の凹部２５を形成し、これらの凹部２５にそれぞれ独立の面状発熱体２０を収納保持するようにしたものである。従ってこの場合には、それぞれの面状発熱体２０が発熱し、これによって発熱パネル２４の全体が発熱することになる。

図１０はさらに別の実施の形態を示している。この実施の形態は上下一対のパネル状ブロック２１、２２の内の一方、例えば下側のパネル状ブロック２２の上面に凹部２５を形成するとともに、このパネル状ブロック２２の外周側の部分に段部２７を形成し、この段部２７を上側のパネル状ブロック２１の段部と係合させ、これによってパネル状ブロック２１、２２を互いに凹凸係合させて位置決めを行なうようにしたものである。従ってこのような構成によれば、外部から力が加わっても、上下一対のパネル状ブロック２１、２２が互いに面方向に移動することがない。さらに面状発熱体２０を介して上下のパネル状ブロック２１、２２がエポキシ樹脂によって接着固定されているために、発熱パネル２４を構成するパネル状ブロック２１、２２がずれ難くなる利点を生ずる。

図１１はさらに別の実施の形態を示している。この実施の形態においては、上下一対のパネル状ブロック２１、２２の内の一方、例えは下側のパネル状ブロック２２の上面に凹部２５を形成し、この凹部２５内に面状発熱体２０を収納保持する。しかも上記凹部２５の外周部において、上側のパネル状ブロック２１の下面に下方に突出するように位置決めピン３０を植設固定する。これに対して下側のパネル状ブロック２２の上面であって凹部２５の外周囲には筒状のスリーブ３１を埋設しておく。そしてスリーブ３１が位置決めピン３０を受入れるようにする。

このような構成によると、上下のパネル状ブロック２１、２２は位置決めピン３０とスリーブ３１とによって互いに面方向に位置決めされた状態で結合される。従ってとくに面方向の力が加わっても、パネル状ブロック２１、２２が互いに位置ずれを起すことがなくなる。

図１２は結合用ボルト３７を用いて上下のパネル状ブロック２１、２２を結合した発熱パネル２４を示している。ここでは上下一対のパネル状ブロック２１、２２の内の一方、例えば下側のパネル状ブロック２２の上面に凹部２５が形成され、この凹部２５内に面状発熱体２０が収納保持される。しかも凹部２５の外周側であって発熱パネル２４の周縁部には、厚さ方向に貫通するようにボルト挿通孔３５、３６がパネル状ブロック２１、２２にそれぞれ形成される。そしてボルト挿通孔３５、３６を挿通する結合用ボルト３７によって上下のパネル状ブロック２１、２２が互いに結合される。従ってここでは結合用ボルト３７が結合固着手段と位置決め手段とを兼用する。

図１３はさらに別の実施の形態を示している。この実施の形態は、上下一対のパネル状ブロック２１、２２の内の例えば上側のパネル状ブロック２１の下面に凹部２５を形成し、この凹部２５内に面状発熱体２０を収納保持する。また凹部２５よりも外周側であってパネル状ブロック２１、２２の外周囲には、厚さ方向に貫通するようにボルト挿通孔３５、３６が上下のパネル状ブロック２１、２２にそれぞれ形成される。しかも下側のパネル状ブロック２２の上面であってボルト挿通孔３６の上端側には、位置決め用突部３８が形成され、この位置決め用突部３８が上側のパネル状ブロック２１のボルト挿通孔３５の部分に形成された凹部に係合される。従って上記位置決め用筒状突部３８によって上下のパネル状ブロック２１、２２が面方向に位置決めされる。従ってこの場合には結合用ボルト３７が位置決め手段を構成することがなく、結合手段になる。

このように上述の各種の実施の形態の発熱パネル２４は、上下のパネル状ブロック２１、２２間に保持したカーボングラファイトシート１０から成る面状発熱体２０によって発熱する。従ってこのような発熱パネル２４を床暖房用の床材とし、あるいはまた風呂場の床材として用いることにより、床の暖房を行なうことが可能になる。あるいはまたパネル状ブロック２１、２２をセラミック材料あるいはコンクリート材料から構成すると、この発熱パネルを道路の敷石として用いることができ、発生する熱によって融雪機能を発現できるようになる。しかも上記面状発熱体２０が補強シート１２、１６を有しているために、外部からの外力に対してカーボングラファイトシート１０が保護でき、これによってカーボングラファイトシート１０の切断あるいは破断に伴う断線事故を防止できるようになる。

以上本願発明を図示の実施の形態によって説明したが、本願発明は上記実施の形態によって限定されることなく、本願に含まれる発明の技術的思想の範囲内において各種の変更が可能である。例えば上記実施の形態における面状発熱体２０や発熱パネル２４の形状、大きさ等については、使用する目的に応じて各種の形状あるいは寸法とすることができる。またパネル状ブロック２１、２２の材料についても、目的とする用途に応じて、各種の材料が適宜選択される。

本実施の形態に係る面状発熱体を有する発熱ブロックは、床暖房用床材、道路の敷石、その他各種の発熱を要する部材として用いることが可能である。

第１の実施の形態の面状発熱体の分解斜視図である。 同面状発熱体の上側の絶縁フィルムを除去した状態の平面図である。 面状発熱体の要部拡大断面図である。 変形例の面状発熱体の分解斜視図である。 発熱ブロックの分解斜視図である。 発熱ブロックの拡大縦断面図である。 別の実施の形態の発熱ブロックの縦断面図である。 さらに別の実施の形態の発熱ブロックの縦断面図である。 さらに別の実施の形態の発熱ブロックの縦断面図である。 さらに別の実施の形態の発熱ブロックの縦断面図である。 さらに別の実施の形態の発熱ブロックの縦断面図である。 さらに別の実施の形態の発熱ブロックの縦断面図である。 さらに別の実施の形態の発熱ブロックの縦断面図である。

符号の説明

１０ カーボングラファイトシート
１１ 電極（銅板）
１２ 補強シート（３軸組布）
１３ 絶縁フィルム
１６ 補強シート（織布）
２０ 面状発熱体
２１ パネル状ブロック（上）
２２ パネル状ブロック（下）
２３ エポキシ樹脂層
２４ 発熱パネル
２５ 凹部
２７ 位置決め段部
３０ 位置決めピン
３１ スリーブ
３５、３６ ボルト挿通孔
３７ 結合用ボルト
３８ 位置決め用筒状突部

Claims (12)

1. 所定の形状のカーボングラファイトのシートであって、通電すると発熱する面状発熱体において、
   前記カーボングラファイトのシートに強化繊維の補強シートを接合したことを特徴とする面状発熱体。
2. 補強シートが強化繊維の２軸または３軸の組布であって、ネット状をなすことを特徴とする請求項１に記載の面状発熱体。
3. 補強シートが強化繊維を１軸方向または２軸方向に引揃えて配列したシートであることを特徴とする請求項１に記載の面状発熱体。
4. 補強シートが強化繊維の織布または編組布であることを特徴とする請求項１に記載の面状発熱体。
5. 前記補強シートが接合されたカーボングラファイトのシートを高分子フィルムで包むことを特徴とする請求項１に記載の面状発熱体。
6. 所定の厚さのブロックの間に、カーボングラファイトのシートから成る面状発熱体を配した発熱ブロックにおいて、
   前記面状発熱体を構成するカーボングラファイトのシートに強化繊維の補強シートを接合したことを特徴とする発熱ブロック。
7. 前記補強シートが接合されたカーボングラファイトのシートを高分子フィルムで包むことを特徴とする請求項６に記載の発熱ブロック。
8. 前記面状発熱体が接着剤によって両側のブロックに挟着固定されることを特徴とする請求項６に記載の発熱ブロック。
9. 少なくとも一方の接合面に凹部が形成され、該凹部に前記面状発熱体が収納保持されることを特徴とする請求項６に記載の発熱ブロック。
10. 両側のブロックが段差から成る位置決め部によって互いに位置決めされることを特徴とする請求項６に記載の発熱ブロック。
11. 両側のブロックが一方のブロックに埋設された位置決めピンによって互いに位置決めされることを特徴とする請求項６に記載の発熱ブロック。
12. 両側のブロックがそれらを貫通するボルトによって互いに固着されることを特徴とする請求項６に記載の発熱ブロック。
    

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