JP2017224452A - 加熱電極装置、通電加熱パネル - Google Patents

加熱電極装置、通電加熱パネル Download PDF

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博俊 末次
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Abstract

【課題】線の視認性を抑えつつ、霜や曇りを取る時間を短く抑えることができる加熱電極装置を提供する。【解決手段】線条である複数の発熱導体(22)を備え、発熱導体は、その一端と他端間の距離をD(mm)とし、一端と他端の間における発熱導体に沿った長さをL(mm)としたときに、1.0・D<L≦1.15・D を満たし、発熱導体の幅、及び厚さがいずれも3μm以上、7μm以下であるとともに、複数の発熱導体の配列ピッチが0.09mm以上0.55mm以下である。【選択図】図1

Description

本発明は、通電することでジュール熱(Joule heat)により発熱する発熱導体を備える加熱電極装置、及びこれを用いた通電加熱パネルに関する。
従来、特許文献1、及び特許文献2に記載のように、自動車、鉄道、航空機、及び船舶等の乗り物のガラス窓、並びに、建物のガラス窓に対して、通電することにより加熱し、ガラス窓の凍結や曇りを解消する技術がある。このようなガラス窓は、2枚のガラス板の間に加熱電極装置を具備して構成されている。そして当該加熱電極装置は、離隔して配置された一対のバスバー電極、及び、この一対のバスバー電極間を渡すように配置された複数の線条の発熱導体を有しており、一対のバスバー電極に電源を接続することで発熱導体に通電可能とされ、発熱導体を発熱させてガラス窓を加熱できるように構成されている。
特開平8−72674号公報 特開2013−56811号公報
しかしながらこのような発熱導体は、線が視認され、運転中の視界を妨げるものである。
そこで本発明は、線の視認性を抑えつつ、霜や曇りを取る時間を短く抑えることができる加熱電極装置を提供することを課題とする。またこの加熱電極装置を有する通電加熱パネルを提供する。
以下本発明について説明する。ここでは理解容易のため図面の参照符号を付記するが、本発明はこれに限定されるものではない。
請求項1に記載の発明は、通電してパネルを加熱する加熱電極装置(20)であって、線条である複数の発熱導体(22)を備え、発熱導体は、その一端と他端間の距離をD(mm)とし、一端と他端の間における発熱導体に沿った長さをL(mm)としたときに、
1.0・D<L≦1.15・D
を満たし、発熱導体の幅、及び厚さがいずれも3μm以上、7μm以下であるとともに、複数の発熱導体の配列ピッチが0.09mm以上0.55mm以下である、加熱電極装置である。
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の加熱電極装置(20)において、発熱導体(22)の厚さ方向の一方の面の平面視における長さ0.01mあたりの表面積をS(μm)、当該一方の面の反対側となる他方の面の平面視における長さ0.01mあたりの表面積をS(μm)としたとき、
0μm<S−S≦30000μm
である。
請求項3に記載の発明は、請求項1又は2に記載の加熱電極装置において、透明な基材層(24)を有し、発熱導体(22)は、基材層の一方の面上に配置されており、発熱導体の一方の面が基材層の面に接している。
請求項4に記載の発明は、透明な第一のパネル(11)と、第一のパネルに対して間隔を有して配置される透明な第二のパネル(15)と、第一のパネルと第二のパネルとの間隔に配置される請求項1乃至3のいずれかに記載の加熱電極装置(20)と、を備える、通電加熱パネル(10)である。
請求項5に記載の発明は、請求項4に記載の加熱通電パネル(10)を備える乗物である。
本発明によれば、加熱電極装置、及びこれを用いた通電加熱パネルにおいて、線の視認性を抑えつつ、発熱量も良好に確保することができ曇りや霜を円滑に解消することが可能となる。
図1(a)は1つの形態に係る通電加熱パネル10を説明する平面図、図1(b)は発熱導体22の1つの例である発熱導体22の拡大図である。 通電加熱パネル10の層構成を説明する断面図である。 加熱電極装置20を説明する斜視図である。 発熱導体22の形態について説明する図である。 図5(a)〜図5(d)は、通電加熱パネル10の作製方法を説明する図である。
以下本発明を図面に示す形態に基づき説明する。ただし、本発明はこれら形態に限定されるものではない。なお、図面に表れる各部材は理解し易さの観点から大きさや形状を誇張、変形して表すことがある。また見易さのため繰り返しとなる符号は省略することがある。
図1(a)は1つの形態を説明する図で、通電加熱パネル10を平面視した概念図である。また、図1(b)には図1(a)にIaで示した部位の拡大図で、発熱導体22の1つの例である発熱導体22の拡大図を示した。
図2は図1に示したII−II線による断面図であり、通電加熱パネル10の厚さ方向における層構成を説明する図である。
このような通電加熱パネル10は例えば自動車のフロントガラスとして自動車に備えられる。その他、いわゆるガラス窓を有するところに窓として用いることができ、これには例えば上記自動車をはじめ、鉄道、航空機、及び船舶等の乗り物の窓、並びに、建物の窓を挙げることができる。
図1、図2からわかるように、通電加熱パネル10は全体として板状であり、複数の層が厚さ方向(図1、図2に示したZ軸方向)に積層してなる。より具体的には、本形態の通電加熱パネル10は、図2の断面図に示す如く第一パネル11、接着層12、加熱電極装置20、接着層14、第二パネル15を有して構成されている。以下、それぞれについて説明する。
第一パネル11、及び第二パネル15は、透光性を有する、即ち透明な板状の部材であり、互いに向かい合うように配置された板面間に間隔を有して略平行に配置されている。いわゆる二重パネル構造である。尚、此処で板面とは、図2で言えば、第一パネル11及び第二パネル15の表面のうちXY平面に平行な対向する2平面になる。この第一パネル11と第二パネル15との間に、加熱電極装置20の一部が配置され、接着層12、14により一体化されている。
第一パネル11及び第二パネル15は板ガラスにより構成することができる。これには、当該通電加熱パネル10が適用される設備(例えば乗り物や建物)が通常に有する窓に用いられる板ガラスと同じものを用いることができる。例えばソーダライム硝子(青板硝子)、硼珪酸硝子(白板硝子)、石英硝子、ソーダ硝子、カリ硝子等から成る普通板ガラス、フロート板ガラス、強化板ガラス、部分板ガラス等が挙げられる。また、必要に応じて3次元的に曲面状に湾曲部を有するものであってもよい。
ただし必ずしもガラス板である必要はなく、アクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂等の樹脂から成る樹脂板であってもよい。ただし、耐候性、耐熱性、透明性等の観点から板ガラスであることが好ましい。
これら第一パネル11及び第二パネル15の厚さは特に限定されることはないが、1.5mm以上5mm以下であることが一般的である。
接着層12は第一パネル11のうち第二パネル15側となる面に積層された接着剤からなる層であり、基材層24と第一パネル11とを接着する。接着剤としては特に限定されることはないが、接着性、耐候性、耐熱性等の観点からポリビニルブチラール樹脂を用いることができる。
接着層12の厚さは特に限定されることはないが、0.2mm以上1.0mm以下であることが一般的である。
加熱電極装置20は、通電することによって発熱し、通電加熱パネル10を加熱するよう構成されている。図3には加熱電極装置20の一部を斜視図で表している。
図1〜図3よりわかるように本形態では加熱電極装置20は、バスバー電極21、発熱導体22、電源接続配線23、及び基材層24を有している。便宜上ここでは基材層24を最初に説明する。
基材層24は、加熱電極装置20の、特にバスバー電極21及び発熱導体22がその一方の面上に配置されて、該バスバー電極21及び発熱導体22の基材として機能する層である。基材層24は透明な板状の部材であり、樹脂により形成されている。基材層24を形成する樹脂としては可視光線波長帯域の波長(380nm〜780nm)を透過するものであれば如何なる樹脂でも良いが、好ましくは熱可塑性樹脂を用いることができる。この熱可塑性樹脂としては、例えばポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナレフタレート、アモルファスポリエチレンテレフタレート(A−PET)等のポリエステル樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリメチルペンテン、環状ポリオレフィン等のポリオレフィン樹脂、ポリメチルメタクリレート等のアクリル樹脂、トリアセチルセルロース(三酢酸セルロース)等のセルロース系樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリスチレン、アクリロニトリル−スチレン共重合体等のスチレン系樹脂、ポリ塩化ビニル、等を挙げることが出来る。とりわけ、アクリル樹脂やポリ塩化ビニルは、エッチング耐性、耐候性、耐光性に優れていることから好ましい。基材層24の厚さとしては、20μm以上300μm以下が一般的である。基材層24を構成する樹脂層は必要に応じて1軸又は2軸延伸したものを用いる。
本形態でバスバー電極21は、第一バスバー電極21a及び第二バスバー電極21bから形成されている。第一バスバー電極21a、第二バスバー電極21bはそれぞれ一方向(図1においてはX軸方向)に延びる帯状であり、第一バスバー電極21aと第二バスバー電極21bとは間隔を有して同じ方向に延びる(略平行となる)ように配置されている。
このような第一バスバー電極21a及び第二バスバー電極21bは公知の形態を適用することができ、帯状である当該電極の幅(Y軸方向の大きさ)は3mm以上15mm以下が一般的である。
発熱導体22は、第一バスバー電極21aと第二バスバー電極21bとを渡すように両バスバー電極21a、21bと交差する方向(図1においてはY軸方向)に延在して配置される。そして、第一バスバー電極21aと第二バスバー電極21bとが当該発熱導体22により電気的に接続されている。この発熱導体22が通電により発熱する。
このような発熱導体22が、第一バスバー電極21a及び第二バスバー電極21bの長手方向(図1においてはX軸方向)に複数配列されている。
発熱導体22は、つぎのような形状を具備している。図1に示したように第一バスバー電極21aと第二バスバー電極21bとの間隔をD(mm)、第一バスバー電極21aと第二バスバー電極21bとの間における発熱導体22の一本の長さをL(mm)としたとき、すなわち、発熱導体22の一端と他端間の距離をD(mm)とし、一端と他端間における発熱導体22に沿った長さをL(mm)としたときに、
1.0・D<L≦1.15・D
なる関係を満たす。
尚、ここで、発熱導体22の一端と他端間の距離Dとは、第一パネル11の加熱電極装置20形成側表面に沿った第一バスバー電極21aと第二バスバー電極21bとの間の最短距離を意味する。
又、最短距離とは、両端点間を結ぶ幾何学上の測地線の長さを意味する。第一パネル11が平板であり、その上に載置され第一パネル11の表面形状に沿った(合致した)発熱導体22が平面上に存在する場合は、測地線は直線となる。一方、第一パネル11の表面が球面となった湾曲板でありその上に存在する発熱導体22も球面上に存在する場合は、測地線は該球面の大円となる。
尚、一般の曲面上に発熱導体22が存在する場合は、該曲面上に存在する下記微分方程式(1)を満たす微分可能な曲線xi(p)が、測地線となる。
Figure 2017224452
ここで、Γ jkはアフィン接続係数である。又、x=x、x=yは座標、pは測地線の始点からの長さを表わす弧長パラメータである。例えば、該曲面が平面である場合は、式(1)は通常の直線の方程式となる。
又、ここで、一端と他端間における発熱導体22に沿った長さをLとは、図1の直交座標系OXYZに於けるXY平面内に於いては、以下の式(2)を満たす。此処で、y0とy1は、各々、図1に於いて、発熱導体22の一端と他端の点のY座標である。
Figure 2017224452
尚、距離Dの場合と同樣に、一般の曲面上に発熱導体22が存在する場合は、長さLは、斯かる曲面に沿った発熱導体2の長さとなる。
これにより、後で説明する発熱導体22の配列ピッチ及び発熱導体の断面形状との関係で、著しい光芒を抑える形態を形成することができるとともに、必要以上に発熱導体の抵抗が大きくなることが防止され、発熱量を高い水準に保つことが可能なる。より具体的には800W以上1000W以下相当の出力が可能となる。従って、著しい光芒を抑えるとともに効率よく霜や曇りを除去することができる。
発熱導体の具体的な長手方向の形態は特に限定されることはないが、光芒をより確実に防止する観点から、平面視(図1の視点)で発熱導体22は波型であることが好ましい。
さらに発熱導体22は次のように構成及び配置されていることが好ましい。図4には図2にIVで示した部位を拡大した図を示した。
発熱導体22は、隣り合う発熱導体22とのピッチP(mm)は、0.09mm以上、0.55mm以下とされることが好ましい。ピッチP(mm)を0.09mmより小さくすると光の透過率が低下して暗くなりすぎることがある。一方、ピッチPが0.55mmより大きいと視認されやすくなるとともに、出力が不足する虞がある。
当該断面において、基材層24に積層される辺の長さ(発熱導体の幅)をW(μm)としたとき、
3μm≦W≦7μm
であることが好ましい。
また、Wとなる辺の反対側の辺の長さをW(μm)としたとき、
>W、及び、
1μm≦WT≦5μm
が成り立つことが好ましい。
なお、この断面は、その部位において最小断面になるように切断された面とする。また、発熱導体22の表面に凹凸が形成されている場合には当該凹凸を含めた最小面積の断面を考えるものとする。
発熱導体22の厚さH(μm)は3μm以上7μm以下であることが好ましい。
また、発熱導体22は次のように構成されていることが好ましい。
発熱導体22は、加熱電極装置20の厚さ方向において、発熱導体22の一方側(本形態では基材層24)の面を平面視した長さ0.01mあたりの表面積をS(μm)、その反対側の面を平面視した長さ0.01mあたりの表面積S(μm)としたとき、
0μm<S−S≦30000μm
が成立することが好ましい。ここで「長さ」とは、延びる発熱導体22のある0.01mを取り出したときにおける一端と他端との距離である。より好ましくは、
0μm<S−S≦15000μm
である。
これによれば、発熱導体22を視認されない幅で作製した際に、断面積を大きくとることができ、さらに高い出力(発熱量)を得ることが可能である。矩形(長方形)を作製することができれば理想ではあるが、エッチングにより作製することはいわゆるサイドエッジの性質上、困難がある。
発熱導体22を構成する導体材料としては例えばタングステン、モリブデン、ニッケル、クロム、銅、銀、白金、アルミニウム等の金属、或いはこれら金属を含むニッケル−クロム合金、青銅、真鍮等の合金をエッチングによりパターン形成してなす帯状部材を挙げることができる。
電源接続配線23は、図1(a)からわかるように、第一バスバー電極21aと第二バスバー電極21b間に電源40を接続する配線である。電源40は、水滴(曇り)、凍結(霜)等を溶解或いは蒸発させるに必要な電力を供給可能なものであれば特に限定されることはなく、適宜の電圧、電流、或いは周波数を有する公知の直流又は交流電源を用いれば良いが、通電加熱パネル10が自動車に適用される場合には、電源40として例えば自動車に既設の鉛蓄電池、リチウムイオン蓄電池等のバッテリーを直流電源として用いることができる。このときには例えばバッテリーの正極に第二バスバー電極21b、負極に第一バスバー電極21aを接続することができる。勿論、別途専用の電源(電池、発電機等)を用いても良い。又、電動機を動力とする鉄道車両の場合は架線から給電された直流又は交流電力を適宜の電圧及び電流に変換して用いることも出来る。
このような電源接続配線23は公知の構成を適用すればよい。
接着層14は、バスバー電極21及び発熱導体22を含む基材層24と第二パネル15とを接着する層である。接着層14は接着層12と同じ構成とすることができる。
以上のような各構成により次のように通電加熱パネル10とされている。図2からわかるように、第一パネル11の一方の面に接着層12が積層されておりこの接着層12を介して第一パネル11に基材層24が積層されている。また、基材層24のうち接着層12が配置された側とは反対側の面には加熱電極装置20が配置されている。加熱電極装置20のうち基材層24が配置された側とは反対側に第二パネル15が配置されているが、基材層24及び加熱電極装置20と第二パネル15との間を埋めるように接着層14が配置されている。これにより第二パネル15が基材層24及び加熱電極装置20に積層される。
このような加熱電極装置20及びこれを含む通電加熱パネル10は例えば次のように製造することができる。図5(a)〜図5(d)に説明のための図を示した。
先ず、図5(a)に示したように、金属箔22’を樹脂フィルムからなる基材層24上に接着剤層を介して貼り合せ積層した積層体を製造する。
次いで、図5(b)に示したように、該積層体の金属箔22’上に感光性レジスト層80を塗工形成する。
次いで、所望のパターンの発熱導体22及びバスバー電極21の平面視パターンに基づいた遮光パターンを有するフォトマスクを用意する。そして、該フォトマスクを該感光性レジスト層80上に密着させて載置する。そして、該フォトマスクを通して紫外線露光し、フォトマスクを除去後、公知の現像処理により未露光の感光性レジスト層を溶解除去して、図5(c)に示したように所望パターン80aに合致する形状のレジストパターン層80’を該金属箔22’上に形成する。
ここで図5(c)には形成されるべき発熱導体22の位置及び大きさを参考として破線及び薄墨で表している。図5(c)からわかるように、本例では、レジストパターン層80’に形成されたレジストパターン80aの縁から、形成されるべき発熱導体22の縁までの距離がC(μm)となるように構成されている。そしてこのCは5μm以上30μm以下であることが好ましい。これにより上記した形態の発熱導体22をエッチングにより得ることができる。
次いで、該レジストパターン層80’上から該積層体を腐蝕液によるエッチング(腐蝕)加工を行い、図5(d)のように、該レジストパターン層80’金属箔22’を腐蝕除去する。そして、該レジストパターン層を溶解除去(脱膜)する。斯くして、基材層24上に図1(a)の平面視形状及び図2の断面形状の所定パターンの発熱導体22、バスバー電極21a及び21bが形成された積層部材を製造する。
本発明では上記のように発熱導体22の断面を規定しているので、生産性高く発熱導体22を形成することができる。
次いで、第一パネル11、接着層12、加熱電極裝置20からなる積層部材に対して接着層14、及び第二パネル15を此の順に重ね、これら複数層を接着積層して一体化する。
以上の工程により、図1(a)の平面図及び図2の断面図に示す、通電加熱パネル10を製造する。
以上説明した通電加熱パネル10の製造方法によれば、エッチングによっても断面形状が矩形に近い発熱導体を得ることができ、上底と下底との差が大きい台形断面である発熱導体に比べて、幅方向の大きさを小さく抑えつつも、厚さを大きくして断面積を大きくすることが可能となる。
通電加熱パネル10は例えば次のように用いられて作用する。ここでは1つの例として通電加熱パネル10を自動車のフロントパネルに適用した場合で説明する。
すなわち、図1の形態に於いては、通電加熱パネル10が自動車のフロントパネルの位置に配置される、この際には電源接続配線23に開閉器50を介して電源40が接続され、バスバー電極21を介して発熱導体22を発熱させることができる。本形態に於いては、電源40としては自動車に既設のバッテリーを用いている。開閉器50を閉じると、電源40から電流が供給される。当該発熱導体22はジュール熱の発熱により第一パネル11、第二パネル12が加熱されるのでフロントパネルとして機能する通電加熱パネル10の温度が上昇し、凍結及び曇りが解消される。本発明では発熱導体22の長さを上記した所定の長さの範囲とすることで著しい光芒を抑えつつ発熱を高めることができるので、著しい光芒を防止しつつ凍結及び曇りの解消も効率よく行われる。
実施例では、発熱導体の端部間の距離D(mm)に対して、発熱導体に沿った該発熱導体の長さL(mm)の比率、発熱導体の幅(図4のW)、発熱導体の配列ピッチ(図4のP)、発熱導体の厚さ(図4のH)を変更して、出力、及び視認性について評価した。
通電加熱パネル10の例に倣って通電加熱パネルを作製した。このとき発熱エリアは縦横とも300mmとし、両端に厚さ50μm、幅20mmでニッケルによる電極を設けた。表1に、各例における各パラメータの値を表した。
出力の評価は、解氷試験(デフロスタ性能試験)により行い、JIS D 4501−1994に準拠し、試験体は鉛直に対して60度の角度で傾けて設置した。通電加熱パネルが氷で覆われた状態とし、通電を開始して氷が通電加熱パネルの全面から消失するまでの時間を測定した。ここで通電加熱パネルに印加した電圧は4.2Vとした。
そして、JIS D 4501−1994の「3.性能 デフロスト性能」の規定を満たしたものを○、満たさなかったものを×とした。
視認性の試験は次のように行った。すなわち、作製した通電加熱パネルに対して1m離隔した位置から目視にて線見えの有無を確認した。このとき通電加熱パネルは鉛直に対して60度傾斜させて設置した。線が見えたものを×、線が見え無かったものを○とした。
表1には各試験結果も合わせて示した。
Figure 2017224452
表1からわかるように、本発明を満たすことにより、視認性の良好と解氷時間の良好との両者を得ることができた。
10 通電加熱パネル
11 第一パネル
12 接着層
14 接着層
15 第二パネル
20 加熱電極装置
21 バスバー電極
22 発熱導体
24 基材層
40 電源

Claims (5)

  1. 通電してパネルを加熱する加熱電極装置であって、
    線条である複数の発熱導体を備え、
    前記発熱導体は、その一端と他端の間の距離をD(mm)とし、前記一端と他端間における前記発熱導体に沿った長さをL(mm)としたときに、
    1.0・D<L≦1.15・D
    を満たし、前記発熱導体の幅、及び厚さがいずれも3μm以上、7μm以下であるとともに、
    複数の前記発熱導体の配列ピッチが0.09mm以上0.55mm以下である、加熱電極装置。
  2. 前記発熱導体の厚さ方向の一方の面の平面視における長さ0.01mあたりの表面積をS(μm)、当該一方の面の反対側となる他方の面の平面視における長さ0.01mあたりの表面積をS(μm)としたとき、
    0μm<S−S≦30000μm
    である、請求項1に記載の加熱電極装置。
  3. 透明な基材層を有し、
    前記発熱導体は、前記基材層の一方の面上に配置されており、前記発熱導体の前記一方の面が前記基材層の面に接している、請求項1又は2に記載の加熱電極装置。
  4. 透明な第一のパネルと、
    前記第一のパネルに対して間隔を有して配置される透明な第二のパネルと、
    前記第一のパネルと前記第二のパネルとの前記間隔に配置される請求項1乃至3のいずれかに記載の加熱電極装置と、を備える、通電加熱パネル。
  5. 請求項4に記載の加熱通電パネルを備える乗物。
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