JP2022071742A

JP2022071742A - 面状発熱体

Info

Publication number: JP2022071742A
Application number: JP2020180862A
Authority: JP
Inventors: 明彦奥村; Akihiko Okumura; 佳菜子筒泉; Kanako Tsutsumi
Original assignee: Iris Ohyama Inc
Current assignee: Iris Ohyama Inc
Priority date: 2020-10-28
Filing date: 2020-10-28
Publication date: 2022-05-16
Also published as: WO2022091510A1; TW202222589A

Abstract

【課題】安全性の高い面状発熱体を提供する。【解決手段】面状発熱体１０１は、面状の発熱層１０２が絶縁層１０４，１０５に挟まれ、発熱層１０２を保護するための保護層１０６を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、面状に形成された面状発熱体に関する。

従来、面状発熱体として、「絶縁性基材と、前記絶縁性基材の少なくとも一方の表面に、抵抗体層であるナノカーボン材料層と、前記ナノカーボン材料層に接続された複数の電極層とを積層した構造を有し、前記ナノカーボン材料層の厚さが、０．０１～５μｍであり、表面抵抗値が２０～３００Ω／□であることを特徴とする、フレキシブルシート状発熱素子」が提案されている（例えば特許文献１）。

特開２０２０－０４７５１９号公報

上記の面状発熱体は、引き裂き、摩耗、孔あき等の損傷を生じると、発熱層の損傷部分での断面積が小さくなり、断面積が減少した部分での電流が増大して発熱量が局部的に増加し、発煙、発火等を生じる危険性がある。
本発明は、安全性の高い面状発熱体を提供することを目的とする。

本発明に係る面状発熱体は、面状の発熱層が絶縁層に挟まれた面状発熱体において、前記発熱層を保護するための保護層を備える。
本発明の係る面状発熱体において、前記保護層は、アラミド繊維を含む織物層であってもよい。
本発明の係る面状発熱体において、前記保護層は、前記発熱層と一方の前記絶縁層との間に位置してもよい。
本発明の係る面状発熱体において、前記絶縁層と前記発熱層と前記保護層との間に、熱可塑性ポリウレタン樹脂により構成された接着層を備えてもよい。

上記構成によれば、発熱層に損傷が生じ難くなり、安全性を高めることができる。

第１形態の面状発熱体の概略を示す図であり、（ａ）は一方の電極がある側の断面拡大図であり、（ｂ）は厚み方向の他方側から見た図であり、（ｃ）は厚み方向の一方側から見た図である。第１形態の面状発熱体を説明する説明図である。第２形態の面状発熱体を説明する説明図である。第３形態の面状発熱体を説明する説明図である。第２実施形態のヒータ装置の概略図である。第３実施形態のヒータ装置の適用例を示し、（ａ）はクッションに適用した説明図であり（ｂ）はジャケットの適用した説明図である。

＜第１実施形態＞
１．概要
面状発熱体は、少なくとも、発熱層、電極、絶縁層及び保護層を備える。
具体的には、発熱層は、面状をし、発熱層に給電するための電極が発熱層に設けられる。絶縁層は、電極付きの発熱層をその厚み方向の両側から挟む。保護層は、発熱層を保護するように設けられている。
面状発熱体は、発熱層、絶縁層、保護層を接着（接合）するための接着層を備える。これにより、絶縁層や保護層が剥がれるのを防止できる。また、面状発熱体を容易に製造できる。
各部について説明する。

２．各部
（１）発熱層
発熱層は、例えば、カーボンナノチューブフィルムやフラーレン等を利用でき、抵抗値の均一性を考慮すると、カーボンナノチューブが好ましい。発熱層の平面形状は、使用用途等によって適宜決定されるが、例えば、方形状、矩形状、４角形状以外の多角形状、楕円形状、円形状、長円形状、これらを組み合わせた形状等がある。

（２）電極
電極は、発熱層に給電するためのものであり、電源供給部と配線を介して接続する。電極は、発熱層における対向する部位に設けられる。例えば、発熱層が矩形状をしている場合、対向する短辺側、対向する長辺側に設けられるのが好ましい。発熱層において電流が流れる電流路の長さを考慮すると、各方向の対向する端部に電極を設けるのが好ましい。
電極は、導電性材料により構成され、例えば、銅、鉄、アルミニウム合金等の金属材料が利用される。抵抗特性、操作性を考慮すると、銅箔を用いるのが好ましい。

（３）絶縁層
絶縁層は、絶縁材料から構成され、面状（シート状）をしている。絶縁層は、例えば、絶縁樹脂材料により構成されたシート材(フィルム)や絶縁樹脂材料からなる繊維を用いた布材を利用できる。絶縁樹脂材料として、例えば、ポリエステル、ポリウレタン、ポリイミド等を利用できる。
絶縁層は、少なくとも２枚以上あり、電極が取り付けられた発熱層を厚み方向の両側から挟む状態で設けられる。
少なくとも２枚の絶縁層は、同じ種類の材料であってもよいし、異なる種類の材料であってもよい。
少なくとも２枚の絶縁層は、発熱層や電極が外部に露出しない大きさであればよく、同じ大きさであってもよいし、異なる大きさであってもよい。
少なくとも２枚の絶縁層は、発熱層や電極が外部に露出しない形状であればよく、同じ形状であってもよいし、異なる形状であってもよい。

（４）保護層
保護層は、発熱層が引き裂かれたり、摩耗したり、穿孔したり等の破損を生じるのを防止する。保護層は、発熱層の厚み方向の両側に配されてもよいし、発熱層の厚み方向の一方側に配されてもよい。
保護層は、破損しやすい部位が事前にわかる場合は、その部位を覆うように配されてもよいし、発熱層の周辺部を主に覆うように配されてもよい。
保護層は、一対の絶縁層の表側（発熱層と反対側）に配されてもよいし、一方の絶縁層の表側（発熱層と反対側）に配されてもよい。
保護層は、発熱層を保護し、面状（シート状）をしている。保護層は、絶縁層よりも引張強度が高い材料により構成されている。保護層は、例えば、繊維を織った織物シートを利用できる。繊維としては、ガラス繊維、炭素繊維、アラミド繊維、ナイロン繊維、ポリエステル繊維、レーヨン繊維等の化学繊維、綿、麻等の植物繊維（自然繊維）、羊毛、絹等の動物繊維（自然繊維）等がある。また、保護層は、耐摩耗性の高いものが好ましく、この観点からは、アラミド繊維が好ましい。
保護層は絶縁材料により構成されてもよい。この場合、例えば、面状発熱体の表面の絶縁層が使用による摩耗等で磨滅しても、保護層により絶縁性を確保することができる。
保護層を絶縁材料により構成する場合、絶縁層の機能を兼用してもよい。つまり、保護層と絶縁層は１つの両機能層により構成されてもよい。このようなものとして、例えば、絶縁繊維からなる布材料、ガラス繊維強化樹脂材料、アラミド繊維強化樹脂材料等がある。

（５）接着層は、発熱層と絶縁層を接合させたり、発熱層と保護層とを接合したり、保護層と絶縁層とを接合したりする。
接着層は、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂等を利用できる。これらは、使用前はシート状をしている接着シートが好ましい。製造の際に、接合する２層の間に接着シートを配し、加熱することで接合できる。このため、容易且つ確実に接合できる。特に、発熱層、絶縁層、保護層、絶縁層及び接着シートを所定順序で積層した後に加熱できるため、高い生産性が得られる。
接着層の材料として、例えば、エポキシ系樹脂、アクリル系樹脂、フェノール系樹脂、ポリエステル系樹脂、シリコーン系樹脂、ポリエチレン系樹脂、熱可塑性ポリウレタン系樹脂等がある。

３．形態
（１）第１形態
第１形態の面状発熱体を図１及び図２を用いて説明する。
面状発熱体１０１は、矩形状の面状の発熱層１０２と、発熱層１０２の厚み方向の一方側（図１の（ａ）では下側である）に設けられた一対の電極１０３（図１の（ａ）では一方の電極のみが表れている）と、発熱層１０２の厚み方向の他方側（図１の（ａ）では上側である）に設けられた保護層１０６と、発熱層１０２と電極１０３とにおける厚み方向の一方側に設けられた第１絶縁層１０４と、保護層１０６における厚み方向の他方側に設けられた第２絶縁層１０５とを備える。
発熱層１０２と第１絶縁層１０４との間には接着層１０７ａが、発熱層１０２と保護層１０６との間には接着層１０７ｂが、保護層１０６と第２絶縁層１０５との間には接着層１０７ｃ，１０７ｄが設けられている。
発熱層１０２は、例えばカーボンナノチューブにより構成されている。電極１０３は銅箔により構成されている。保護層１０６は、例えば、パラ系のアラミド繊維であるケブラー（登録商標）の織物により構成されている。接着層１０７ａ，１０７ｂ，１０７ｃ，１０７ｄは、すべて熱可塑性ポリウレタンにより構成されている。

面状発熱体１０１は、図２に示すように、例えば、第１絶縁シート１２４に、一対の電極１０３、発熱層１０２、保護シート１２６、第２絶縁シート１２５を重ね合わせた後に、加熱処理することで製造される。
第１絶縁シート１２４は、第１絶縁層１０４に接着シート１１７ａが張り合わされてなり、接着シート１１７ａは加熱後の接着層１０７ａとなる。
第２絶縁シート１２５は、第２絶縁層１０５に接着シート１１７ｄが張り合わされてなり、接着シート１１７ｄは加熱後の接着層１０７ｄとなる。ここでの第１絶縁層１０４と第２絶縁層１０５とは同じ材料で構成され、接着シート１１７ａと接着シート１１７ｄとは同じ材料構成されている。つまり、第１絶縁シート１２４と第２絶縁シート１２５は同じ構成となる。
保護シート１２６は、保護層１０６に対してその厚み方向の両側から接着シート１１７ｂ，１１７ｃを張り合わせてなる。接着シート１１７ｂは加熱後の接着層１０７ｂとなり、接着シート１１７ｃは加熱後に接着層１０７ｃとなる。ここでの接着シート１１７ｂ，１１７ｃは同じ材料で構成されている。
また、第２絶縁シート１２５の接着シート１１７ｄは、保護シート１２６の接着シート１１７ｃとは同じ材料で構成されている。このため、加熱後は、保護シート１２６の接着シート１１７ｃと、第２絶縁シート１２５の接着シート１１７ｄとは一層の接着層になるが、図１の（ａ）では、２層で表している。

第１絶縁シート１２４、一対の電極１０３、発熱層１０２、保護シート１２６、第２絶縁シート１２５の重ねる順序は特に限定するものではない。
第１の例としては、発熱層１０２に電極１０３を最初に重ね、その後に、保護シート１２６、第２絶縁シート１２５、第１絶縁シート１２４の順で重ねてもよい。
第２の例としては、第２絶縁シート１２５に保護シート１２６を重ね、その後、第１絶縁シート１２４に電極１０３と発熱層１０２を重ね、最後に、第２絶縁シート１２５と第１絶縁シート１２４とを重ねてもよい。
第３の例としては、保護シート１２６に発熱層１０２と電極１０３を重ね、その後に、第１絶縁シート１２４と第２絶縁シート１２５を重ねてもよい。

（２）第２形態
第２形態の面状発熱体２０１を図３を用いて説明する。面状発熱体２０１は、図示されていないが、第１形態の面状発熱体１０１と区別するために、符号「２０１」を用いる
面状発熱体２０１は、矩形状の面状の発熱層１０２と、発熱層１０２の厚み方向の他方側（図３では上側である）に設けられた一対の電極１０３と、発熱層１０２の厚み方向の他方側に設けられた保護層１０６と、発熱層１０２における厚み方向の一方側に設けられた第１絶縁層１０４と、保護層１０６における厚み方向の他方側に設けられた第２絶縁層１０５とを備える。
第１形態とは、電極１０３の配置位置が異なる。つまり、第２形態の面状発熱体２０１は、保護層１０６と発熱層１０２との間に電極１０３を備える点で、第１形態の面状発熱体１０１と相違する。
発熱層１０２と第１絶縁層１０４との間には接着層（１０７ａ）が、発熱層１０２と保護層１０６との間には接着層（１０７ｂ）が、保護層１０６と第２絶縁層１０５との間には接着層（１０７ｃ，１０７ｄ）が設けられている。
発熱層１０２、電極１０３、保護層１０６、接着層（１０７ａ，１０７ｂ，１０７ｃ，１０７ｄ）は、第１形態と同じ材料により構成されている。

第２形態の面状発熱体２０１も、例えば、第１絶縁シート１２４に、発熱層１０２、一対の電極１０３、保護シート１２６、第２絶縁シート１２５を重ね合わせた後に、加熱処理することで製造される。第１絶縁シート１２４、第２絶縁シート１２５、保護シート１２６は、第１形態と同じ構成である。第１絶縁シート１２４、発熱層１０２、一対の電極１０３、保護シート１２６、第２絶縁シート１２５の重ねる順序は、第１形態と同様に、特に限定するものではない。

（３）第３形態
第３形態の面状発熱体３０１を図４を用いて説明する。面状発熱体３０１は、図示されていないが、第１形態の面状発熱体１０１や第２形態の面状発熱体２０１と区別するために、符号「３０１」を用いる
面状発熱体３０１は、矩形状の面状の発熱層１０２と、発熱層１０２の厚み方向の他方側（図４では上側である）に設けられた一対の電極１０３と、発熱層１０２の厚み方向の一方側（図４では下側である）に設けられた第１保護層３０６と、発熱層１０２の厚み方向の他方側に設けられた第２保護層１０６と、発熱層１０２における厚み方向の一方側に設けられた第１絶縁層１０４と、第２保護層１０６における厚み方向の他方側に設けられた第２絶縁層１０５とを備える。なお、各層の間には接着層が設けられている。
発熱層１０２、電極１０３、第２保護層１０６、接着層は、第１形態と同じ材料により構成され、第１保護層３０６も第２保護層１０６と同じ材料で構成されている。第１保護層３０６は、第２保護層１０６と同じ構成であるが、第２保護層１０６と区別するために符号「３０６」を用いている。なお、第２保護層１０６は、第１形態及び第２形態の保護層１０６と同じであるが、第１保護層３０６と区別するために「第２」としている。
第３形態の面状発熱体３０１は、第２形態とは、保護層１０６，３０６が発熱層１０２の厚み方向の両側に配されている点で異なる。
第３形態の面状発熱体３０１も、例えば、第１絶縁シート１２４に、第１保護シート３２６、発熱層１０２、一対の電極１０３、第２保護シート１２６、第２絶縁シート１２５を重ね合わせた後に、加熱処理することで製造される。
第１保護シート３２６は、第２保護シート１２６と同じ構成であり、第２保護シート１２６と区別するために、符号「３２６」を用いている。第１絶縁シート１２４、第２絶縁シート１２５、保護シート１２６，３２６は、第１形態と同じ構成である。第１絶縁シート１２４、第１保護シート３２６、発熱層１０２、一対の電極１０３、第２保護シート１２６、第２絶縁シート１２５の重ねる順序は、第１形態と同様に、特に限定するものではない。

＜第２実施形態＞
面状発熱体４１１を利用したヒータ装置４００について説明する。
ヒータ装置４００は、図５に示すように、面状発熱体４１１を備える発熱ユニット４１０と、発熱ユニット４１０を電気的に制御する制御ユニット４３０とを備える。発熱ユニット４１０は、制御ユニット４３０から配線４２０を介して電力供給を受ける。ここでの発熱ユニット４１０は、温度センサー４１９を有し、制御ユニット４３０は発熱ユニット４１０の温度が閾値を超えると発熱ユニット４１０への給電を停止する。
以下、各ユニットについて説明する。

発熱ユニット４１０は、面状発熱体４１１と、温度センサー４１９とを備え、これらは配線４２０と接続される。面状発熱体４１１は、矩形状の２個の発熱層４１２Ａ，４１２Ｂと、電極４１３ａ、４１３ｂ，４１３ｃと、各発熱層４１２Ａ，４１２Ｂを覆う２個の保護層４１６Ａ，４１６Ｂと、絶縁層４１４，４１５とを備える。
発熱層４１２Ａ，４１２Ｂ、電極４１３ａ，４１３ｂ，４１３ｃ、保護層４０６、絶縁層４１４，４１５は接着層（図示省略）により接合される。
図５において、電極４１３ａ，４１３ｂ，４１３ｃは発熱層４１２Ａ，４１２Ｂの裏側にあり、保護層４１６Ａ，４１６Ｂは、発熱層４１２Ａ，４１２Ｂの表側に位置し、発熱層４１２Ａ，４１２Ｂと区別できるようにハッチングを施している。
２個の発熱層４１２Ａ，４１２Ｂは、長手方向が平行となるように短手方向に間隔を置いて設けられている。発熱層４１２Ａ，４１２Ｂの長手方向の一方側に電極４１３ａ，４１３ｃが接続され、発熱層４１２Ａ，４１２Ｂの長手方向の他方側に共通の電極４１３ｂが接続されている。なお、電極４１３ａ，４１３ｃには、制御ユニット４３０側と接続する配線４２０ａ，４２０ｂが接続される。
保護層４０６は、電流が流れる方向と直交する断面（紙面と直交する断面である）において、発熱層４１２Ａ，４１２Ｂの６０％以上、好ましくは７０％以上、より好ましくは８０％以上を覆うように設けられている。６０％以上設けることで、発熱層４１２Ａ，４１２Ｂにおいて、保護層４０６により保護されていない部分が損傷しても、過度な温度上昇を防止できる。
なお、被覆する比率は、発熱層４１２Ａ，４１２Ｂに流れる電流に依存し、換言すると、被覆されていない領域が損傷により温度上昇した場合でも、焦げや燃焼を起こすおそれのない範囲である。
温度センサー４１９は、例えば、２個の発熱層４１２Ａ，４１２Ｂの間に配され、配線４２０ｃを介して制御ユニット４３０に接続されている。

制御ユニット４３０は、電源部４３１と、電源部４３１の電力を利用して発熱ユニット４１０に給電する電力供給部４３２と、温度センサー４１９が検知する温度に従って発熱ユニット４１０に供給する電力を制御する制御部４３３と、各種のデータ等を記憶する記憶部４３４とを備え、スイッチ４３５の操作によりＯＮ／ＯＦＦする。
電源部４３１は、充放電可能なバッテリにより構成される。
電力供給部４３２は、ＤＣ／ＤＣコンバータにより構成され、電源部４３１からの電力を、制御部４３３から指示された電力（電流）に変換して、発熱ユニット４１０に出力する。
制御部４３３は、ＣＰＵにより構成され、記憶部４３４に記憶されているコンピュータプログラムや各種の設定データに基づき、発熱ユニット４１０に給電する電力を制御する。具体的には、スイッチ４３５がＯＮされると、制御部４３３は、プログラムをスタートし、設定された第１の電力を供給するように電力供給部４３２に指示すると共に、発熱ユニット４１０の温度センサー４１９をモニターし、温度センサー４１９が検知した温度が閾値を超えると、第１の電力よりも低い第２の電力を供給するように電力供給部４３２に指示する。
記憶部４３４は、制御部４３３の作業用のＲＡＭ、ＲＯＭ又はフラッシュメモリで構成されている。

＜第３実施形態＞
ヒータ装置の適用例について説明する。
クッション５０１は、図６の（ａ）に示すように、クッション本体５０２の内部に発熱ユニット５０３を内蔵し、クッション本体５０２の外部の制御ユニット５０４により温度調整できる。発熱ユニット５０３と制御ユニット５０４とは配線５０５により接続されている。制御ユニット５０４は、第２実施形態の制御ユニット５０４と同様の構成であるが、使用者の制御ユニット５０４の操作により発熱ユニット５０３の温度を変更する機能も有する。
ジャケット５１１は、図６の（ｂ）に示すように、ジャケット本体５１２の背中部分に発熱ユニット５１３が張り合わされ、ジャケット本体５１２のポケットに制御ユニット５１４が収容されている。
ヒータ装置は、上記のクッション（座布団）、ジャケットのほか、ベスト、防寒着等の衣服、毛布、布団等の寝具等に利用できる。

以上のように、第１～第３実施形態を説明したが、これらの実施形態に限られるものではなく、実施形態や変形例に記載していない例や、要旨を逸脱しない範囲の設計変更があっても本発明に含まれる。

１０１面状発熱体
１０２発熱層
１０３電極
１０４第１絶縁層
１０５第２絶縁層
１０６保護層
１０７接着層

Claims

面状の発熱層が絶縁層に挟まれた面状発熱体において、
前記発熱層を保護するための保護層を備える
面状発熱体。
前記保護層は、アラミド繊維を含む織物層である
請求項１に記載の面状発熱体。
前記保護層は、前記発熱層と一方の前記絶縁層との間に位置する
請求項１又は２に記載の面状発熱体。
前記絶縁層と前記発熱層と前記保護層との間に、熱可塑性ポリウレタン樹脂により構成された接着層を備える
請求項１～３の何れか１項に記載の面状発熱体。