JP5338003B1 - 面状発熱体及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】炭素繊維TFとパルプ繊維PFとを所定の割合で混抄した炭素繊維混抄シート1の両側端にそれぞれ電極2を形成した面状発熱体10であって、炭素繊維TFは、短繊維状に切断した炭素繊維原料から開繊された綿状繊維であること、炭素繊維混抄シート1の片面全体又は両面全体には、カーボン被膜3を形成したことを特徴とする。
【選択図】図1
Description
例えば、抵抗発熱材としての炭素繊維を方形形状の和紙の面全体に均一に分布して発熱体シート(炭素繊維混抄シート)を形成し、炭素繊維混抄シート表面の両側端に溶射皮膜からなる銅電極をそれぞれ形成し、発熱体シートの両面をFRP等の樹脂で被覆した面状発熱体の発明が開示されている(特許文献1を参照)。この発熱体シートは、和紙を抄くときに炭素繊維が一緒に入れられて形成されている。
また、長さ3mm以上5mm未満及び5mm以上10mm以下の少なくとも2種類以上の異なる長さを有するピッチ系炭素繊維及び/又はPAN系炭素繊維3〜20重量%と、植物パルプ97〜80重量%とを含有する厚さ150μm以下、坪量55g/m2以下の炭素繊維混抄発熱シートの発明が開示されている(特許文献2を参照)。
また、ピッチ系炭素繊維及び/又はPAN系炭素繊維と、パルプ繊維シートとから成る炭素繊維混抄シートに、導電性ペーストを規則的な配列パターンとなって印刷して成ることを特徴とする炭素繊維混抄自由抵抗シートの発明が開示されている(特許文献3を参照)。
まず、特許文献1の発明では、和紙を抄くときに炭素繊維を一緒に入れて発熱体シートを形成するが、炭素繊維を和紙の面全体に均一に分布させることは、必ずしも容易ではない。
すなわち、炭素繊維は、1本1本の繊維自体に捲縮性を持たず、滑りやすいので、炭素
繊維同士が絡みにくいという性質がある。炭素繊維同士が絡みにくいので、略同一方向を
向いた炭素繊維は、紙抄き時に束状に集合して植物繊維の一部に偏析する傾向がある。この偏析を回避して炭素繊維を植物繊維に均一に分散させるため、紙抄きの際に、炭素繊維と植物繊維とを混合した水溶液を長時間攪拌すると、炭素繊維のフィラメント径は6〜8μm程度と非常に細いので、炭素繊維が折り曲げられて折損する恐れがあった。そのため、紙抄き時において、炭素繊維と植物繊維とを混合した水溶液を長時間攪拌することもできなかった。
さらに、和紙の面全体に均一に炭素繊維を分布させることが困難であるため、発熱体シートにおける炭素繊維の含有率を一定量以下に抑える必要があり、発熱効率と共に遠赤外線の放射効率を高めることもできなかった。
(1)炭素繊維とパルプ繊維とを所定の割合で混抄した炭素繊維混抄シートの両側端にそれぞれ電極を形成した面状発熱体であって、
前記炭素繊維は、短繊維状に切断した炭素繊維原料から開繊された綿状繊維であること、
前記炭素繊維混抄シートの片面全体又は両面全体には、カーボン被膜を形成したことを特徴とする。
よって、本発明によれば、発熱効率と遠赤外線の放射効率とを同時に高めた面状発熱体を提供することができる。
前記炭素繊維は、短繊維状に切断した炭素繊維原料から開繊された綿状繊維であること、
前記炭素繊維混抄シートの一方の片面全体には、カーボン被膜を形成し、前記炭素繊維混抄シートの他方の片面全体には、遠赤外線放射物被膜を形成したことを特徴とする。
よって、本発明によれば、発熱効率と遠赤外線の放射効率とを同時に高めた面状発熱体を提供することができる。
前記炭素繊維混抄シートには、抵抗発熱が相対的に低い低発熱部と抵抗発熱が相対的に高い高発熱部とを備え、
前記高発熱部と前記低発熱部とが、面全体で互いに分散して形成されたことを特徴とする。
また、高発熱部と低発熱部とが、面全体で互いに分散して形成されたので、電極間に所定の電源を接続したとき、各高発熱部には消費電力の少ない低発熱部(導通帯)を経由して多くの電流が印加される。そのため、面全体で分散して形成された各高発熱部には、それぞれ隣接する低発熱部(導通帯)を経由して発熱に必要な多くの電流が略均等に印加されることになる。したがって、仮に低電圧の電源を使用しても、低発熱部の間に分散したそれぞれの高発熱部において略均等な高い発熱を確保でき、炭素繊維混抄シートの面全体でより高い発熱効果を得ることができる。
よって、本発明によれば、より少ない消費電力で発熱効率と遠赤外線の放射効率を高めた面状発熱体を提供することができる。
前記低発熱部における炭素繊維の混合比率が20重量%以上40重量%以下で、前記高発熱部における炭素繊維の混合比率が10重量%以上20重量%未満であることを特徴とする。
前記炭素繊維を短繊維状に切断した炭素繊維原料から綿状繊維に開繊する炭素繊維開繊工程と、
前記炭素繊維開繊工程にて綿状繊維に開繊した炭素繊維と前記パルプ繊維とを所定の粘着剤を含む水溶液で混抄する紙抄き工程と、
前記紙抄き工程にて混抄した炭素繊維混抄シートにカーボン樹脂液を塗工してカーボン被膜を形成するカーボン被膜形成工程と、を備えることを特徴とする。
よって、本発明によれば、発熱効率と遠赤外線の放射効率とを同時に高めた面状発熱体の製造方法を提供することができる。
はじめに、本実施形態の面状発熱体の基本構造を説明した後、その変形例について説明する。次に、本実施形態の炭素繊維混抄シートにおける低消費電力型発熱部について詳細に説明し、本実施形態の炭素繊維混抄シートに塗工したカーボン被膜における遠赤外線の放射メカニズムを詳細に説明する。最後に、本実施形態の面状発熱体の製造工程、試験結果、及び主な用途について説明する。
まず、本実施形態に係る面状発熱体の基本構造について、図1〜図4を用いて説明する。図1に、本実施形態に係る面状発熱体の平面図を示す。図2に、図1に示す面状発熱体におけるA−A断面図を示す。図3に、図1に示す炭素繊維混抄シートの顕微鏡写真を示す。図4に、図1に示す炭素繊維混抄シートに塗工したカーボン被膜の顕微鏡写真を示す。
炭素繊維混抄シート1は、炭素繊維とパルプ繊維とを所定の割合で混抄した矩形状の発熱シートである。炭素繊維混抄シート1の厚さは、0.1〜0.3mm程度である。炭素繊維は、PAN系炭素繊維又は、ピッチ系炭素繊維のいずれでもよい。パルプ繊維は、針葉樹、広葉樹等の木材繊維又は、楮、三椏等の靱皮繊維などが該当する。木材繊維又は靱皮繊維等に、繊維強化材としてマニラ麻、ザイル麻等の葉繊維を混入しても良い。炭素繊維とパルプ繊維との混合比率は、炭素繊維が20〜30重量%程度で、パルプ繊維が70〜80重量%程度である。炭素繊維は、長さ5〜10mm程度の短繊維状に切断した炭素繊維原料から開繊された綿状繊維である。炭素繊維同士は、互いに綿状に絡み合っている。互いに綿状に絡み合った炭素繊維が、パルプ繊維と粘着剤とを含む水溶液に混入されて、紙抄きによって炭素繊維混抄シート1を製造するので、炭素繊維混抄シート1には、面全体に綿状に絡み合った短尺状の炭素繊維が分散している(図3を参照)。
水溶性樹脂液は、ウレタン系樹脂に水系架橋剤、増粘剤、界面活性剤等を配合した水溶液である。カーボン粒子は、例えば、粒径が3〜500nm程度のカーボンブラックやアセチレンブラック等が該当する。カーボン粒子は、粒径が数μm程度の黒鉛粒子にカーボンブラックやアセチレンブラック等を混合したものでもよい。カーボン被膜の厚さは、数十μm程度である。黒鉛粒子は、例えば、備長炭を粉末状に加工したものでもよい。
カーボン皮膜は、主に炭素繊維混抄シートに含まれる炭素繊維の発熱を受けて温度上昇し、遠赤外線を放射する。また、カーボン皮膜は、電極2又は炭素繊維混抄シート1の炭素繊維から分流される電流によって、自ら抵抗発熱することもできる。この抵抗発熱によってカーボン被膜自身が温度上昇し、遠赤外線を放射する。
次に、本実施形態に係る面状発熱体の変形例の構造について、図5、図6を用いて説明する。図5に、図1に示す面状発熱体の変形例におけるA−A断面図を示す。図6に、図5に示す炭素繊維混抄シートに塗工した遠赤外線放射物被膜の顕微鏡写真を示す。
面状発熱体20における、炭素繊維混抄シート1、電極2、カーボン被膜3は、上述した面状発熱体10の基本構造と共通している。そのため、炭素繊維混抄シート1、電極2、カーボン被膜3については、共通の符号を付して詳細の説明を割愛する。
遠赤外線放射物皮膜4は、遠赤外線放射物粒子が分散された水溶性樹脂液を炭素繊維混抄シート1の他方の面全体に塗工された遠赤外線放射被膜である。炭素繊維混抄シート1には、遠赤外線放射物粒子が結合された粒子状薄膜が形成されている(図6を参照)。なお、遠赤外線放射物4は、炭素繊維混抄シート1の両面全体に塗工しても良い。
遠赤外線放射物被膜を構成する遠赤外線放射物粒子には、例えば、上述した黒鉛粒子、カーボンブラック、アセチレンブラックの他に、アルミナ(Al2O3)や窒化珪素(Si3N4)等のセラミックス粒子が該当する。遠赤外線放射物粒子は、黒鉛粒子、カーボンブラック、アセチレンブラック等のカーボンと、アルミナ(Al2O3)や窒化珪素(Si3N4)等のセラミックス粒子を混合してもよい。また、遠赤外線放射物粒子には、ラジウム粉末やイオウ粉末を用いることもできる。遠赤外線放射物被膜の厚さは、数
十μm程度である。
なお、アルミナ(Al2O3)や窒化珪素(Si3N4)等のセラミックスは絶縁体であるため、カーボン粒子と異なり自ら抵抗発熱はしない。したがって、遠赤外線を放射するときの消費電力を低減することができる。また、遠赤外線の波長を用途に合わせて、変更することができる。
次に、本実施形態の炭素繊維混抄シート1における高発熱部12と低発熱部11からなる省電力型発熱部について、図7を用いて説明する。図7に、図1に示す面状発熱体における炭素繊維混抄シートのB部模式的拡大図を示す。
前述したように、本実施形態の炭素繊維混抄シート1においては、炭素繊維は、短繊維状に切断した炭素繊維原料から開繊された綿状繊維であるので、短尺状の炭素繊維同士が互いに綿状に絡み合っている。
そのため、紙抄き工程において、炭素繊維とパルプ繊維の混合した水溶液を攪拌する初期段階では、互いの繊維密度のバラつきによって、炭素繊維の混合比率が相対的に高い領域と、炭素繊維の混合比率が相対的に低い領域とが、互いに分散して形成される。
炭素繊維の混合比率が相対的に高い領域(低発熱部11)は、炭素繊維の混合比率が20〜40重量%程度である。この領域は、互いに絡み合った炭素繊維同士の繊維接触が密になり電気抵抗が減少するので、抵抗発熱が相対的に低下する低発熱部11を構成する。
一方、炭素繊維の混合比率が相対的に低い領域(高発熱部12)は、炭素繊維の混合比率が10〜20重量%程度である。この領域は、互いに絡み合った炭素繊維同士の繊維接触が粗になり電気抵抗が増加するので、抵抗発熱が相対的に増大する高発熱部12を構成する。
その結果、電極間に所定の電源を接続したとき、抵抗発熱が相対的に低い低発熱部11は消費電力の少ない導通帯を形成し、抵抗発熱が相対的に高い高発熱部12は消費電力の多い抵抗帯を形成する。
そのため、分散した各高発熱部12には、それぞれ隣接する低発熱部から多くの電流が供給されることになる。したがって、仮に低電圧の電源を使用しても、分散したそれぞれの高発熱部12において略均等な高い発熱を確保でき、炭素繊維混抄シート1の面全体でより高い発熱効果を得ることができる。
よって、炭素繊維混抄シート1において、互いに絡み合った炭素繊維の混合比率が相対的に高い領域(低発熱部11)と、炭素繊維の混合比率が相対的に低い領域(高発熱部12)とを、面全体で互いに分散して形成することによって、低消費電力型発熱部を備える炭素繊維混抄シート1を形成することができる。
次に、本実施形態に係る炭素繊維混抄シート1に塗工したカーボン被膜3における遠赤外線の放射メカニズムについて、図8を用いて説明する。図8に、図1に示す面状発熱体におけるC部の模式的拡大図を示す。
炭素繊維混抄シート1は、綿状に絡み合った炭素繊維TFがパルプ繊維PFに混抄されて形成されている。炭素繊維TF同士は、パルプ繊維PFと交差しながら互いに絡み合っている。炭素繊維TF同士が絡み合って、繊維接触することによって、電子eの移動回路v1が形成される。炭素繊維TFの混合比率が10〜20重量%程度では、繊維接触が粗になり電気抵抗が増加し、抵抗発熱が増大する。炭素繊維TFの抵抗発熱は、塗工されたカーボン被膜3に分散されたカーボン粒子CBに伝達される。
しかし、カーボン粒子CBを微細化することによって、炭素繊維混抄シート1内にカーボン粒子CBが侵入して、直接炭素繊維TFと接触することができる。また、カーボン粒子CBを微細化することによって、カーボン粒子CB同士の接触も増加する。カーボン粒子CBが炭素繊維TFと接触し、カーボン粒子CB同士が接触することによって、カーボン被膜3内で電子eの移動回路v2が形成される。これによって、カーボン被膜3自身の抵抗発熱が生じて温度上昇する。
以上のように、カーボン被膜3は、主に炭素繊維混抄シート1の発熱を受けて温度上昇することによって、遠赤外線を放射する。また、カーボン被膜3は、カーボン粒子CBを微細化することによって、自己の抵抗発熱が生じて温度上昇し、遠赤外線を放射する。したがって、例えば黒鉛等の粒径が大きいカーボン粒子に、例えばカーボンブラックやアセチレンブラック等の粒径の小さいカーボン粒子を混合すると、発熱効率と遠赤外線の放射効率をより一層高めることができる。
次に、本実施形態に係る面状発熱体の製造方法について、図9を用いて説明する。図9に、図1に示す面状発熱体の製造工程を示すフローチャートを示す。
炭素繊維開繊工程S1は、炭素繊維を短繊維状に切断した炭素繊維原料から綿状繊維に開繊する工程である。本工程S1では、長さ5〜10mm程度の短繊維に切断した炭素繊維原料から開繊された炭素繊維を開繊シリンダと吸引ケージとの間に設けた空気室にて浮遊させてから、吸引ケージに吸引して綿状に積層させる。そのため、開繊された炭素繊維を空気室の中で1本1本バラバラに分離させることができる。また、綿状繊維を空気室にて浮遊させてから、吸引ケージに吸引して積層させるので、1本1本の炭素繊維がバラバラの向きで、互いに絡ませながら積層させることができる。さらに、綿状繊維は、空気中に浮遊して分散するので、絡み合った炭素繊維が折損することもない。なお、長さ5〜10cm程度に切断した炭素繊維原料から綿状に開繊して積層した炭素繊維マットを切断して、長さ5〜10mm程度の綿状繊維に加工しても良い。炭素繊維マットの端材を切断して、再利用することで、炭素繊維原料の有効活用を行うことができる。
ラミネート工程S5は、電極形成工程S4にて電極を形成した炭素繊維混抄シートの両面全体を耐熱性、絶縁性を有する樹脂フィルムで被覆する工程である。樹脂フィルムには、ポリイミドフィルムやポリエステルフィルム等が該当する。
次に、本実施形態に係る面状発熱体10における遠赤外線の放射量及び放射率の試験結果について、図10、図11を用いて説明する。図10に、図1に示す面状発熱体の試験結果(放射発散度)を示す。図11に、図1に示す面状発熱体の試験結果(放射率)を示す。
日本工業規格JIS Z 8117では、放射率とは、「放射体の放射発散度とその放射体と同温度の黒体の放射発散度との比」として定義されている。また、日本工業規格JIS R 1801には、FTIR(Fourier transform infrared spectrophotometer:フーリエ変換赤外分光光度計)を用いた放射率測定方法が規定されている。ここでは、日本工業規格JIS R 1801に準じて、FTIRを用いて、波長2.5μmから波長25μmの範囲で、遠赤外線の放射率を測定した。放射体の測定温度は、160℃程度である。
図10に示すように、測定データg1の最大値は、波長6〜7μm程度のとき、0.132(W/m2)であり、測定データg2の最大値は、波長6〜7μm程度のとき、0.152(W/m2)であった。放射発散度は、単位面積当たりのエネルギー量を示すので、波長6〜7μmにおいて放射量が最大となることを意味する。
なお、野菜乾燥等において、対象物体を構成する分子の固有振動と共振させることのできる波長は、6〜12μm程度であることが知られている。したがって、本実施形態に係る面状発熱体10は、遠赤外線の波長領域の選定においても、野菜乾燥等に有効に作用する。
図11に示すように、測定データh1は、波長6〜12μmの範囲において、70%T程度で略均一に推移し、波長12〜24μmの範囲において、70%T程度から75%T程度まで僅かに増加しながら推移した。
測定データh2は、波長6〜12μmの範囲において、80%T程度から85%Tまで増加しながら推移し、波長12〜24μmの範囲において、85%T程度から95%T程度まで増加しながら推移した。
以上の試験結果から分かるように、本実施形態に係る面状発熱体10は、片面全体にカーボン被膜を形成することによって、遠赤外線の放射量及び放射率を、10%以上増加させることができた。特に、野菜乾燥等に有効に作用する遠赤外線の波長域において、放射量及び放射率を、最大で15%程度増加させることができた。
次に、本実施形態に係る面状発熱体10、20における環境温度に追従する温度変化の試験結果について、図12を用いて説明する。図12に、図1に示す面状発熱体の試験結果(温度差)を示す。
図12は、試験紙を水槽に浮かべたステンレスバット上に載せて、水槽の温度を35℃から40℃まで1℃ずつ増加させたとき、試験紙の表面温度をサーモグラフィー撮影によって測定したデータ表である。
ここで、NO.1の試験紙AAは、炭素繊維混抄シート1でカーボン被膜未塗工の試料である。また、NO.2の試験紙BBは、炭素繊維混抄シート1でカーボン被膜裏面塗工(本実施形態の面状発熱体10)の試料である。また、NO.3の試験紙CCは、炭素繊維混抄シート1でカーボン被膜裏塗工かつセラミック皮膜表面塗工(本実施形態の面状発熱体20)の試料である。
したがって、炭素繊維混抄シート1にカーボン被膜を形成することによって、発熱しやすくなり、また、セラミック皮膜を形成することによって、更に発熱しやすくなることが言える。
以上の試験結果から分かるように、本実施形態に係る面状発熱体10は、片面全体又は両面全体にカーボン被膜を形成することによって、発熱効率が向上し、本実施形態に係る面状発熱体20は、一方の片面全体にカーボン被膜を形成し、他方の片面全体にセラミック皮膜を形成することによって、更に発熱効率が向上することが言える。
次に、本実施形態に係る面状発熱体10、20の主な用途を説明する。
(1)融雪関連の用途
例えば、一般道路、駐車場コンクリート、玄関先通路等に埋設して融雪マットに利用することができる。また、屋根の融雪ヒータとしても利用することができる。
(2)住宅関連の用途
例えば、床暖房マット、台所敷きマット、便座の温熱マットに利用することができる。
(3)農業関連の用途
例えば、野菜乾燥機、温室での育苗・苗床用ヒーター、動物用飼育マット等に利用することができる。
(4)医療関係の用途
例えば、電気パット加湿装置(管理医療機器)、家庭用電位温熱治療マット等に利用することができる。
(5)衣料関連の用途
例えば、寒冷地用の野外作業用衣料製品に内蔵して利用することができる。
(6)産業設備関連の用途
例えば、寒冷地送油管・パイプラインの凍結防止シート、寒中コンクリート養生シート、各種タンク保温シート、養殖・家畜飼育場保温シート、岩盤浴の加熱シート等に利用することができる。
以上詳細に説明したように、本実施形態に係る面状発熱体10、20によれば、炭素繊維TFは、短繊維状に切断した炭素繊維原料から開繊された綿状繊維であるので、1本1本の短尺状の炭素繊維同士が互いに綿状に交絡している。そのため、炭素繊維TFとパルプ繊維PFとを混抄する紙抄き時に、炭素繊維TF同士が綿状に絡み合った状態で、パルプ繊維PFと混ざり合うことができる。したがって、略同一方向を向いた炭素繊維TFが束状に集合してパルプ繊維PFの一部に偏析する恐れが少ない。よって、炭素繊維混抄シート1の面全体には、短尺状の炭素繊維TFを綿状に絡み合った状態のままパルプ繊維PFの間に分散させることができる。その結果、炭素繊維TFとパルプ繊維PFとを混合した水溶液を攪拌する時間を大幅に短縮でき、炭素繊維TFの折損等も防止できる。また、炭素繊維混抄シート1の面全体で温度上昇させて、発熱効率を高めることができる。なお、炭素繊維TFは、長さ5〜10cm程度に切断した炭素繊維原料から綿状に開繊して積層した炭素繊維マットを、長さ5〜10mm程度の綿状繊維に加工したものでも良い。炭素繊維マットの端材を切断して、再利用することで、炭素繊維原料の有効活用を行うことができる。
また、高発熱部12と低発熱部11とが、面全体で互いに分散して形成されたので、電極間に所定の電源を接続したとき、各高発熱部12には消費電力の少ない低発熱部11(導通帯)を経由して多くの電流が印加される。そのため、面全体で分散して形成された各高発熱部12には、それぞれ隣接する低発熱部11(導通帯)を経由して発熱に必要な多くの電流が略均等に印加されることになる。したがって、仮に低電圧の電源を使用しても、低発熱部11の間に分散したそれぞれの高発熱部12において略均等な高い発熱を確保でき、炭素繊維混抄シート1の面全体でより高い発熱効果を得ることができる。
よって、より少ない消費電力で発熱効率と遠赤外線の放射効率を高めることができる。
2 電極
3 カーボン被膜
4 遠赤外線放射物皮膜
10 面状発熱体
11 低発熱部
12 高発熱部
Claims (5)
- 炭素繊維とパルプ繊維とを所定の割合で混抄した炭素繊維混抄シートの両側端にそれぞれ電極を形成した面状発熱体であって、
前記炭素繊維は、短繊維状に切断した炭素繊維原料から開繊された綿状繊維であること、
前記炭素繊維混抄シートの片面全体又は両面全体には、カーボン被膜を形成したことを特徴とする面状発熱体。 - 炭素繊維とパルプ繊維とを所定の割合で混抄した炭素繊維混抄シートの両側端にそれぞれ電極を形成した面状発熱体であって、
前記炭素繊維は、短繊維状に切断した炭素繊維原料から開繊された綿状繊維であること、
前記炭素繊維混抄シートの一方の片面全体には、カーボン被膜を形成し、前記炭素繊維混抄シートの他方の片面全体には、遠赤外線放射物被膜を形成したことを特徴とする面状発熱体。 - 請求項1又は請求項2に記載された面状発熱体において、
前記炭素繊維混抄シートには、抵抗発熱が相対的に低い低発熱部と抵抗発熱が相対的に高い高発熱部とを備え、
前記高発熱部と前記低発熱部とが、面全体で互いに分散して形成されたことを特徴とする面状発熱体。 - 請求項3に記載された面状発熱体において、
前記低発熱部における炭素繊維の混合比率が20重量%以上40重量%以下で、前記高発熱部における炭素繊維の混合比率が10重量%以上20重量%未満であることを特徴とする面状発熱体。 - 請求項1乃至請求項4のいずれか1項に記載された面状発熱体の製造方法において、
前記炭素繊維を短繊維状に切断した炭素繊維原料から綿状繊維に開繊する炭素繊維開繊工程と、
前記炭素繊維開繊工程にて綿状繊維に開繊した炭素繊維と前記パルプ繊維とを所定の粘着剤を含む水溶液で混抄する紙抄き工程と、
前記紙抄き工程にて混抄した炭素繊維混抄シートにカーボン樹脂液を塗工してカーボン被膜を形成するカーボン被膜形成工程と、を備えることを特徴とする面状発熱体の製造方法。
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