JP3172059U

JP3172059U - 電熱板

Info

Publication number: JP3172059U
Application number: JP2011005493U
Authority: JP
Inventors: 欽陵潘
Original assignee: 欽陵潘
Filing date: 2011-09-20
Publication date: 2011-12-01
Anticipated expiration: 2021-09-20

Abstract

【課題】表面の温度上昇と放熱が不均一である、炭素繊維と導電帯との接触が不良である、絶縁性に劣る、寿命が短いという問題を解決するための電熱板を提供する。
【解決手段】多層材料で構成され、両側面にガラス繊維プリプレグ１３および高耐圧ポリエチレンフィルム１５を順番に積み重ねた第１積重ねモジュール１１を形成する錫箔３４に発熱シート１２を張り付ける。
【選択図】図１

Description

本考案は、電熱板に関する。

炭素繊維は良好な導電性と導熱性を有する高性能材料であり、コストが低いため、日常生活領域における開発および利用の幅が徐々に広がっている。

しかしながら、保温暖房の用途において炭素繊維を用いた電熱板には下記の問題がある。
（１）不適切な炭素繊維、例えば密度が粗く柔らかい炭素繊維を紙パルプに混ぜると一つの塊になり、それを圧延してできた製品は表面の温度上昇と放熱が不均一となり、変形または焦げ付きが起こりやくなる。
（２）炭素繊維と導電帯との間に形成される間隙は接触不良の原因になるため、電流を通すとアークを生じ、炭素繊維紙と電極との接合箇所を覆う板材が穿孔および破壊されるおそれがある。
（３）炭素繊維材料を塩霧または湿度が高い環境で使用する場合、漏電が発生するおそれがある。
上述の問題点のため、炭素繊維を用いた電熱板はまだ生活に大規模に利用されていない。

本考案の目的は、従来の炭素繊維を用いた電熱板の、表面の温度上昇と放熱が不均一である、炭素繊維と導電帯との接触が不良である、絶縁性に劣る、寿命が短いという問題を解決するための電熱板を提供することにある。

炭素は一定の条件下で優れた性能を有する半導体材料である。理論上、炭素結晶を切削して形成された粒子はいかに小さくても単体ごとに正負電極を有するはずであるが、多くの炭素粒子はそのような特徴を持っていない。特殊な加工技法、例えば高温高圧環境下でボールミルによる研磨、軟化、精製、抽出などの工程を行うことで炭素類材料の性質を変えることにより、純度が高くメッシュの数が大きい炭素結晶を精製することが可能である。
大量の炭素結晶が電場の作用を受けるとブラウン運動が起こり、互いに摩擦と振動をすることで大量の熱エネルギーを生じ、「電気エネルギー→熱エネルギー」という変換を実現可能である。

前記炭素ナノ結晶材料において、炭素結晶は格子振動を行い、熱を生じ、長径比が異なるアクリロニトリル基炭素繊維は格子状に連なる。炭素ナノ繊維を加えることで、静電気の消散と火花発生が減少すると同時に、互いに接触しているか原子径の距離で離れている原子に格子状の接続により熱を伝導させる。また、前記炭素ナノ結晶材料は、三次元的に点、線及び面が交差した網目状の構造を持つため、キャリアーはこの網目に沿い電位が低い方向へ移動する。炭素ナノ結晶材料は微視的に見ると同じでないが、全体的には同じであるように見られる。従って、均質な面状発熱体を形成可能であり、炭素ナノ結晶材料を用いた電熱板の表面の温度上昇と放熱とを均一にさせることができる。

本考案による炭素ナノ結晶材料は、全体重量の７０〜８０％を占めるアクリロニトリル基炭素繊維と、全体重量の１〜５％を占める炭素ナノ繊維と、全体重量の１５〜２９％を占める炭素結晶とから組成される。アクリロニトリル基炭素繊維は、Ｋ数（一株あたりの単一の繊維の数。Ｋは１０００である）が１０〜１５Ｋ、直径が１〜５μｍ、長さがｚそれぞれ２〜４ｍｍと４．５〜６ｍｍであるアクリロニトリル基炭素繊維から０．５〜２：１の重量比に基づいて組成されたものである。炭素ナノ繊維の直径は５０〜２００ｎｍである。炭素結晶のメッシュの数は４００〜１０００である。

前記炭素ナノ結晶材料を用いた電熱板を製造する方法は下記（１）〜（３）の製造工程を含む。
（１）は発熱シートの製造工程であって、下記のステップａ）〜ｃ）を含む。
ステップａ）は、炭素ナノ結晶材料と製紙用パルプとの重量比を１：９〜１９にして、炭素ナノ結晶材料を製紙用パルプに混ぜ、続いてそれを分散剤の水溶液に加えて炭素繊維と製紙用パルプとの混合パルプを形成するステップである。ステップａ）における分散剤の使用量は炭素ナノ結晶材料の重量の０．５〜５％である。
ステップｂ）は、水溶性の接着剤溶液が入れてある高速攪拌機に炭素繊維と製紙用パルプとの混合パルプを流し込み、続いて紙パルプの叩解度（ビーティング）が３５°〜５５°ＳＲの間に達するまで８００〜２０００ｒｐｍの速度で１〜２時間攪拌するステップである。
ステップｃ）は、攪拌処理された炭素繊維と製紙用パルプとの混合パルプを抄紙網のメッシュ数が５０である抄紙機に流し込み、抄紙機の速度を１０〜１５ｍ／ｍｉｎに制御し、かつ毛布を当てて圧縮して、続いて加熱ドラムにより乾燥成型を行うステップである。

（２）はガラス繊維プリプレグの製造工程であって、プリプレグ縦横２５×１６以上のガラス繊維を有するガラス繊維布の上に混合塗料を塗布し、厚さが０．１〜０．３ｍｍのガラス繊維プリプレグを形成することによる。前記混合塗料は重量比が１〜５：４〜８：１のフェノール樹脂、エポキシ樹脂及びアセトンの混合物である。

（３）炭素ナノ結晶を用いた電熱板の製造工程であって、下記のステップｄ）〜ｊ）を含む。
ステップｄ）は、鉄製トレイ上に六層の５０ｇのクラフト紙を敷き、そののち厚さが１〜３ｍｍの平坦な鉄板を敷き、続いて鉄板上に離型剤を塗布するステップである。

ステップｅ）は、鉄板上に高耐圧性能を有する厚さが０．０１〜０．０５ｍｍのポリエチレンフィルムを敷き、高耐圧性能を有するポリエチレンフィルムに装飾紙を敷くステップである。

ステップｆ）は、装飾紙の上に三層から五層のガラス繊維プリプレグを敷き、そののち発熱シートを敷き、続いて両側に錫箔により包まれた銅箔を別々に配置することにより導電電極を形成するステップである。銅箔は幅が１０〜１５ｍｍ、厚さが０．６ｍｍであり、その両側はローレット機により網目模様を形成されている。

ステップｇ）は、発熱シートの上に三層から五層のガラス繊維プリプレグを敷くステップである。
ステップｈ）は、ガラス繊維プリプレグの上に高耐圧性能を有する厚さが０．０１〜０．０５ｍｍのポリエチレンフィルムを敷き、離型剤を塗布し、高耐圧性能を有するポリエチレンフィルムに厚さが１〜３ｍｍの平坦な鉄板を敷き、鉄板上に六層の５０ｇのクラフト紙を敷くステップである。

ステップｉ）は、扁平な銅網状の導線を導電電極にはんだ付けして固定することにより正負導電極を形成し、その導線をガラス繊維プリプレグの背面から平行に引き出すステップである。

ステップｊ）は、できた半製品を熱圧機の上に置き、予熱が８０度に達したら熱圧機を起動し、２００トンに達するまで加圧し、温度を１００℃まで上昇させ、恒温恒圧を８〜９分維持し、温度を１２０℃まで上昇させ、恒温恒圧を８〜９分維持し、温度を１４０℃まで上昇させ、恒温恒圧を８〜９分維持し、保圧の状態で温度を５５℃まで降下させ、続いて減圧を行い、温度を室温まで降下させた後、型を開いて炭素ナノ結晶を用いた電熱板を完成させるステップである。

本考案による電熱板は、発熱が均一で安定し、温度上昇が速く、絶縁性に優れ、寿命が長いため、生活の需要に応じて大量生産することができる。また、その製造方法と加工方法は簡単であるため、操作に便利である。

本考案に基づいて製造した炭素ナノ結晶材料を用いた電熱板は、面全体上に放熱を行い、かつ導体が三次元の網目構造を呈し、長さがばらばらの炭素繊維から形成された面状発熱板であり、かつ８〜１０μｍの遠赤外線を発生することが可能であるため、長期間にわたって使用すれば、健康維持、トレーニングなどの効果を果たすことがでる，また材質、安全性、絶縁性などが良好であるため電圧１００００Ｖを遮断することができ、また使用寿命が長いため３万時間以上持続的に使用しても破裂や剥離などは発生しない。また防湿、防水などの機能を有するため、家庭用暖房、プールの加熱、衣類の乾燥、オフィス、会議室またはホテルに適用できる。

本考案の電熱板の積重ね構造を示す模式図である。本考案の電熱板の第１積重ね構造を示す模式図である。本考案の電熱板の第１積重ね構造の斜視図。本考案の一実施形態による電熱板の温度測定点の分布を示す模式図である。本考案の一実施形態による電熱板が適用されている室内の温度が時間に伴い生じた変化を示すグラフである。本考案の一実施形態による電熱板の表面の平均温度が時間に伴い生じた変化を示すグラフである。本考案一実施形態による電熱板の表面の発熱量が時間に伴い生じた変化を示すグラフである。

本考案による一実施形態の電熱板を図１〜図７に基づいて説明する。
図1〜図３に示すように、電熱板（１０）は、複数の部材が積層して構成され、発熱シート（１２）の両側には錫箔（３４）が張り付けられている。また、錫箔（３４）の両側には、三層から五層のガラス繊維プリプレグ（１３）、装飾紙（１４）、および一層の厚さが０．０１〜０．０５ｍｍである高耐圧性ポリエチレンフィルム（１５）が順番に積重ねることで第１積重ねモジュール（１１）が形成されている。

また、錫箔（３４）は、導電電極として銅箔（３３）を包んでいる。銅箔（３０）の幅は１０〜１５ｍｍであり、厚さは０．６ｍｍである。また、錫箔（３４）の両側には、ローレット機により網目模様が印圧されている。この網目模様は、錫箔（３４）、銅箔（３３）および発熱シート（１２）を十分に接続させるためのものである。また、導線（３５）は、導電電極と密着し、正負電極としてガラス繊維プリプレグ（１３）の裏から平行に引き出されている。第１積重ねモジュール（１１）のガラス繊維プリプレグ（１３）には、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、およびアセトンが塗られている。フェノール樹脂は、例えばフェノール樹脂１４１１であり、前記エポキシ樹脂は、例えばエポキシ樹脂Ｅ４４である。

第１積重ねモジュール（１１）の両側面には、ポリアミノエステルの離型剤（２１）、厚さが１〜３ｍｍの平坦な鉄板（２２）、および六層の５０ｇクラフト紙（２３）が順番に積重ねる第２積重ねモジュール（２０）が設けられている。第２積重ねモジュール（２０）は第１積重ねモジュール（１１）を最適化する。上下二層のクラフト紙（２３）は第１積重ねモジュール（１１）が受ける圧力を緩衝する作用がある。平坦な鉄板（２２）は第１積重ねモジュール（１１）の表面が均一になるようにする。離型剤（２１）は、第１積重ねモジュール（１１）と第２積重ねモジュール（２０）とが境界面で分離し安くなるようにし、第１積重ねモジュール（１１）および第２積重ねモジュール（２０）が組付け時に破損することを抑制することができる。

本実施形態の発熱シート（１２）は、パルプ及分散剤、水溶性の接着剤からなる。炭素ナノ結晶は、アクリロニトリル基炭素繊維、炭素ナノ繊維、炭素結晶から組成される。炭素ナノ結晶材料は、全体重量の７０〜８０％を占めるアクリロニトリル基（Ａｃｒｙｌｏｎｉｔｒｉｌｅ）炭素繊維と、全体重量の１〜５％を占める炭素ナノ繊維（ｃａｒｂｏｎｎａｎｏｆｉｂｅｒｓ）と、全体重量の１５〜２９％を占める炭素結晶とから組成される。アクリロニトリル基炭素繊維は、Ｋ数（一株あたりの単一の繊維の数。Ｋは１０００である）が１０〜１５Ｋ、直径が１〜５μｍ、長さがそれぞれ２〜４ｍｍと４．５〜６ｍｍであるアクリロニトリル基炭素繊維から０．５〜２：１の重量比に基づいて組成されたものである。炭素ナノ繊維の直径は５０〜２００ｎｍである。炭素結晶のメッシュの数は４００〜１０００である。本実施形態では、製紙用パルプは木材セルロースを原料とする紙パルプであり、分散剤はアルギン酸ナトリウム、メチルセルロース、およびポリアクリルアミンのうちいずれか一つ又は複数の組み合せである。水溶性の接着剤は、ポリアニリン、ポリビニルアルコール、および水溶性のフェノール樹脂のうちいずれか一つ又は複数の組み合せである。

図４〜図７に示すように、発熱シートは、坪量（Ｂａｓｉｓｗｅｉｇｈｔ）が３０〜７０ｇ／ｍ２、厚さが６０〜８０μｍである。分散剤が混合物である場合、各種の分散剤を任意の比率で配合することが可能である。水溶性の接着剤が混合物である場合、各種の水溶性の接着剤を任意の比率で配合することが可能である。混合塗料のうちのフェノール樹脂は固化剤、エポキシ樹脂は接着剤、アセトン溶液は希釈剤である。

下記の実験に基づいて本考案の実施形態の効果を実証する。
国際基準に達する温度制御・密閉方式による個室内で実験を進める。個室は内外の熱源がなく、断熱に近いように設定されている。個室の内部の実際の大きさは地面が（３．９３±０．２ｍ）×（３．９３±０．２ｍ）であり、高度が２．８±０．２ｍである。個室は地面に炭素ナノ結晶をの電熱板（１０）（６００ｍｍ×９００ｍｍ）を１６枚有し、すべての電熱板（１０）の間は直列に接続されている。

測定条件は、標準の個室に炭素ナノ結晶を用いた電熱板を水平に舗装し、かつ電熱板の辺縁から壁面までに０．３ｍの距離を置いた範囲内に舗装することである。

測定器材は、熱電対温度計、ヒートセンサー、温度表示器、電圧計器、電流計器、風速計器、湿度測定器、電流メーターなどである。

続いて、任意の電熱板を選び出し、図４に示すように電熱板の表面に温度測定点を八箇所設定し、標準の個室内に置く。個室は内部に空調などの冷熱源を備えず、かつ断熱に近いように設定されている。室温が１２．５℃に達したら、電熱板に電流を通して温度測定を持続的に行う。表１に温度が上昇する際の電熱板の測定点の温度を示し、表２に温度が安定した後の電熱板の測定点の温度を示す。

表１及び表２に示す測定結果から、表１の温度を上昇させる過程及び表２の温度を安定させる過程のいずれにおいても、電熱板の表面の各測定点間の温度は均一であり、等温の温度場に近い状態を実現し、それぞれの測定時間と測定点の平均の最高温度と最低温度の差は０．５〜２．５℃の範囲内であることが判明した。

図５は室温が１２．５℃の標準の個室内において電熱板に電流を通した後、１６枚の電熱板の表面の平均温度が時間に伴い生じた変化をグラフで示す。これにより、電流を通した後、電熱板の表面温度は迅速に上昇し、わずか４．４分間が経過した後、１６枚の電熱板の平均温度は地面を暖める適切な温度３６℃に達することが分かる。

図６は標準の個室の内部の空気温度が時間に伴い生じた変化をグラフで示す。これにより電熱板は空気中、熱を迅速に拡散させ、室内温度の上昇は早く、室内を暖める標準の温度１８℃まで上昇するまでの所要時間わずか２３．２分間であることが分かる。

図７は１６枚の電熱板の表面の平均発熱量が時間に伴い生じた変化をグラフで示す。これにより、通電された電熱板の発熱量は迅速に上昇し、４．３分が経過した後、発熱量は最大に達し、かつ安定状態を持続することが分かる。

１０・・・電熱板、
１１・・・第１積重ねモジュール、
１２・・・発熱シート、
１３・・・ガラス繊維プリプレグ、
１４・・・装飾紙、
１５・・・高耐圧性ポリエチレンフィルム、
２０・・・第２積重ねモジュール、
２１・・・離型剤、
２２・・・鉄板、
２３・・・クラフト紙、
３０・・・導電層、
３１・・・正電極、
３２・・・負電極、
３３・・・銅箔、
３４・・・錫箔、
３５・・・導線。

Claims

複数の部材が積層して構成される電熱板であって、
炭素ナノ結晶から構成され、電流により発熱する発熱シートと、
前記発熱シートに張り付けられている錫箔と、
前記錫箔の両側面に設けられ、ガラス繊維プリプレグおよび高耐圧ポリエチレンフィルムを順番に積み重ねることにより形成される第１積重ねモジュールと、を備えることを特徴とする電熱板。
前記ガラス繊維プリプレグの裏から平行に引き出されている導線と、
前記錫箔は、幅が１０〜１５ｍｍであり、厚さが０．６ｍｍである銅箔を包むことで導電電極を形成し、両側に網目模様が印圧され、前記導線がはんだ付けられていること特徴とする請求項１に記載の電熱板。
前記第１積重ねモジュールの両側面に設けられ、離型剤、鉄板、およびクラフト紙からなる第２積重ねモジュールをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の電熱板。