JP5992736B2 - 床構造体 - Google Patents
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Description
床暖房システムは、電熱線等の熱源で発熱した熱により、室内空間を暖めるもので、特に、電熱線を用いた場合、その発熱には、多くの電力を消費することとなる。
このような顕熱蓄熱材を床暖房として使用した場合、十分な性能を発揮させるためには、顕熱蓄熱材の容積(厚み)を増す必要があり、この場合即効性が損なわれるとともに、居住空間を圧迫する恐れもある。さらに、消費電力量が増大するという問題もある。
しかしながら、特許文献1記載の床暖房用蓄熱材では、同一の箇所に顕熱蓄熱材と潜熱蓄熱材が存在しており、顕熱蓄熱材のみ、あるいは、潜熱蓄熱材のみを蓄熱材として用いた場合の問題点をある程度克服することができるものの、満足するものとはいえなかった。
さらに、十分な床暖房性能を得るためには、ある程度の厚みが必要であり、まだまだ改善の余地がある。
さらに、潜熱蓄熱層と顕熱蓄熱層の厚みの比率を特定することによって、薄型でも優れた床暖房性能を得ることに成功した。
1.蓄熱層と面状発熱体を備えた床構造体であって、
潜熱蓄熱層の上に、面状発熱体が積層され、さらに面状発熱体の上にモルタル、コンクリート、レンガ、磁器タイルの粒状物、砂、砂利、小砂利、砂岩、大理石、御影石から選ばれる粒状の顕熱蓄熱材を敷き詰めた顕熱蓄熱層が積層されたことを特徴とする床構造体。
2.前記潜熱蓄熱層の厚みと、前記顕熱蓄熱層の厚みの比が、1:1〜1:10であることを特徴とする1.に記載の床構造体。
3.前記潜熱蓄熱層の厚みが、1mm以上30mm以下、
前記面状発熱体の厚みが、0.1mm以上3mm以下、
前記顕熱蓄熱層の厚みが、1mm以上50mm以下、
であることを特徴とする1.に記載の床構造体。
4.前記潜熱蓄熱層が、有機潜熱蓄熱材を含有することを特徴とする1.に記載の床構造体。
5.前記潜熱蓄熱層が、有機潜熱蓄熱材とウレタン樹脂を含有することを特徴とする1.に記載の床構造体。
6.前記潜熱蓄熱層が、有機潜熱蓄熱材(a)、親水親油バランス(HLB値)が10以上のポリオキシエチレンソルビタン脂肪酸エステル(e)、ポリオール化合物(c−1)とイソシアネート化合物(c−2)を混合し、有機潜熱蓄熱材(a)をコロイド状に分散させ、(c−1)成分と(c−2)成分を反応させて得られるものであることを特徴とする1.に記載の床構造体。
2:面状発熱体
3:顕熱蓄熱層
4:床材層
5:ポリスチレンフォーム
6:熱電対
7:温度センサー
本発明では特に、各層の厚みと、厚みの比率を特定することによって、床暖房として、より即効性と持続性に優れ、効率よく消費電力を抑えることができる。さらに、床暖房構造体の薄型化により、軽量化でき、簡便に施工することができる。特にリフォームにおいても、居住空間を圧迫することなく快適な居住空間を維持することができる。
本発明では熱源として面状発熱体を用いる。
面状発熱体は、厚さを薄く設定できるとともに、発熱した熱を、潜熱蓄熱層、顕熱蓄熱層の全面に伝えやすい。
面状発熱体としては、例えば、ニクロム線を蛇行させて絶縁体表面に配置した面状発熱体、電気抵抗発熱体と電極を積層した面状発熱体、PTC面状発熱体等が挙げられる。
本発明では、特に、電気抵抗発熱体と電極を積層した面状発熱体、PTC面状発熱体が好ましく、さらにPTC面状発熱体が好ましい。
ニクロム線を蛇行させて絶縁体表面に配置した面状発熱体は、ニクロム線部分から発熱し、ミクロ的にみると、ニクロム線と接触している部分と、ニクロム線と接触していない部分は、温度差が生じ、温度ムラが発生しやすい。蓄熱層(潜熱蓄熱層及び顕熱蓄熱層)の厚さが100mm以上では特に問題視される可能性は低いが、蓄熱層の厚さが100mm未満の場合、この温度ムラにより、蓄熱層に温度が十分伝わらない箇所が存在し、蓄熱性の低下を招き、床暖房として即効性と持続性に劣る場合がある。
電気抵抗発熱体と電極を積層した面状発熱体、PTC面状発熱体は、面状発熱体のほぼ全面と蓄熱層全面が接触しているため、温度ムラがほとんどなく、蓄熱性の低下を抑えることが可能である。
導電性粉末の混合量は、特に限定されないが、電気抵抗発熱体の電気抵抗値を1×103Ω・cm以下に調整できるように混合すればよく、樹脂成分の固形分100重量部に対して、10重量部以上300重量部以下(好ましくは30重量部以上100重量部以下)であることが好ましい。
このようなPTC面状発熱体は、PTC特性によって、通電すると素早く昇温し、所定温度に達し、自ら温度を制御、維持することができるため、センサー・コントローラー等を使用しなくてもよい。
本発明の潜熱蓄熱層は、潜熱蓄熱材を含有するものである。
2種以上の有機潜熱蓄熱材を混合して使用する場合は、相溶化剤を用いることが好ましい。相溶化剤を用いることにより、有機潜熱蓄熱材どうしの相溶性を向上させることができる。
相溶化剤としては、例えば、脂肪酸トリグリセリド、親水親油バランス(HLB)が1以上10未満(好ましくは1以上5以下)の非イオン性界面活性剤等が挙げられ、これらの1種または2種以上を混合し用いることができる。
潜熱蓄熱材と有機処理層状粘土鉱物を混合することにより、有機処理層状粘土鉱物の層間に潜熱蓄熱材が入り込み、潜熱蓄熱材が有機処理層状粘土鉱物の層間に保持されやすい構造となる。特に潜熱蓄熱材として、有機潜熱蓄熱材を使用した場合、有機潜熱蓄熱材が有機処理層状粘土鉱物の層間に、より保持されやすい構造となる。
有機処理としては、例えば、層状粘土鉱物の層間に存在する陽イオンを長鎖アルキルアンモニウムイオン等でイオン交換(インターカレート)すること等が挙げられる。
本発明では、特に、スメクタイト、バーミキュライトが有機処理されやすい点から、好適に用いられる。さらに、スメクタイトの中でも、特に、モンモリロナイトが好適に用いられ、本発明では、特に、有機処理されたモンモリロナイトを好適に用いることができる。
ホージュン社製のエスベン、エスベン C、エスベン E、エスベン W、エスベン P、エスベン WX、エスベン NX、エスベン NZ、エスベン N-400、オルガナイト、オルガナイトーD、オルガナイトーT(商品名)
ズードケミー触媒社製のTIXOGEL MP、TIXOGEL VP、TIXOGEL VP、TIXOGEL MP、TIXOGEL EZ 100、MP 100、TIXOGEL UN、TIXOGEL DS、TIXOGEL VP−A、TIXOGEL VZ、TIXOGEL PE、TIXOGEL MP 250、TIXOGEL MPZ(商品名)
エレメンティスジャパン社製のBENTONE 34、38、52、500、1000、128、27、SD−1、SD−3(商品名)
等が挙げられる。
(i)有機潜熱蓄熱材、ヒドロキシル基を含有する化合物、及びイソシアネート基を含有する化合物を均一に混合し、ヒドロキシル基を含有する化合物とイソシアネート基を含有する化合物を反応させる方法、
(ii)有機潜熱蓄熱材と、親水親油バランス(HLB値)が10以上の非イオン性界面活性剤、ヒドロキシル基を含有する化合物、及びイソシアネート基を含有する化合物を混合し、有機潜熱蓄熱材をコロイド状に分散させ、ヒドロキシル基を含有する化合物とイソシアネート基を含有する化合物を反応させる方法等が挙げられる。
この過程では、相溶状態から非相溶状態の変化に伴うミクロ相分離が起こり、ヒドロキシル基を含有する化合物とイソシアネート基を含有する化合物からなる緻密に入り組んだ3次元網目構造型多孔体が形成されるものと思われる。この3次元網目構造型多孔体に有機潜熱蓄熱材が担持された状態となり、潜熱蓄熱層が形成される。
ポリオキシエチレンラウリルエーテル、ポリオキシエチレンセチルエーテル、ポリオキシエチレンステアリルエーテル、ポリオキシエチレンオレイルエーテル、ポリオキシエチレンオクチルドデシルエーテル等のポリオキシエチレンアルキルエーテル、
テトラオレイン酸ポリオキシエチレンソルビット等のポリオキシエチレンソルビトール脂肪酸エステル、
ポリエチレングリコールモノラウレート、ポリエチレングリコールモノステアレート、ポリエチレングリコールジステアレート、ポリエチレングリコールモノオレエート等のポリオキシエチレン脂肪酸エステル、
ポリオキシエチレン硬化ヒマシ油、ポリオキシエチレンヤシ油脂肪酸ソルビタン等が挙げられる。
反応促進剤としては、例えば、トリエチルアミン、トリエチレンジアミン、トリエチルアミン、テトラメチルブタンジアミン、ジメチルアミノエタノール、ダイマージアミン、ダイマー酸ポリアミドアミン等のアミン類;
ジブチル錫ジラウレート、ジブチル錫ジアセテート、錫オクテート等の錫カルボン酸塩類;
ナフテン酸鉄、ナフテン酸コバルト、ナフテン酸マンガン、ナフテン酸亜鉛、オクチル酸鉄、オクチル酸コバルト、オクチル酸マンガン、オクチル酸亜鉛等の金属カルボン酸塩類;
ジブチルチンチオカルボキシレート、ジオクチルチンチオカルボキシレート、トリブチルメチルアンモニウムアセテート、トリオクチルメチルアンモニウムアセテート等のカルボキシレート類;
アルミニウムトリスアセチルアセテート等のアルミニウム化合物;
等が挙げられ、1種または2種以上を用いることができる。
さらに、有機潜熱蓄熱材が、緻密に入り組んだ3次元網目構造型多孔体に担持されているため、有機潜熱蓄熱材の固液変化に伴う体積変化による潜熱蓄熱層自体の形状変化を軽減することもできる。
アルミニウム、金、銀、銅、鉄、クロム、亜鉛、マグネシウム、チタン、ニッケル、ビスマス、スズ、コバルトから選ばれる一種以上の金属、または、これら金属の酸化物、塩化物、硫化物、炭酸塩、珪酸塩、燐酸塩、硝酸塩、硫酸塩およびこれらの複合物から選ばれる一種以上、等を主成分とするフィルムを用いることができる。
本発明の顕熱蓄熱層は、顕熱蓄熱材を含有するものである。
顕熱蓄熱材としては、例えば、モルタル、コンクリート等のコンクリート材料、レンガ、磁器タイル等のセラミックス材料、砂、砂利、小砂利、砂岩、大理石、御影石等の石材料が挙げられる。本発明では特に、物質の中でも顕熱蓄熱性が高い前記物質が好適に用いられる。
顕熱蓄熱材そのものを所定の大きさにした顕熱蓄熱層(A)としては、コンクリート板、レンガ、モルタル板、岩板等が挙げられる。また、粒状の顕熱蓄熱材のみを所定の箇所に敷き詰めたものでもよい。
粒状の顕熱蓄熱材をなんらかの方法で担持・保持した顕熱蓄熱層(B)としては、モルタル、コンクリート、レンガ、磁器タイルの粒状物や、砂、砂利、小砂利、砂岩、大理石、御影石等の顕熱蓄熱材を、各種結合材で担持・保持したもの等が挙げられる。
またこの他に、顔料、骨材、可塑剤、防腐剤、防黴剤、防藻剤、消泡剤、発泡剤、レベリング剤、顔料分散剤、沈降防止剤、たれ防止剤、脱水剤、艶消し剤、難燃剤、紫外線吸収剤、光安定剤、粘性調整剤、熱伝導性物質等の添加剤を混合してもよい。
本発明の床暖房構造体は、潜熱蓄熱層の上に、面状発熱体が積層され、さらに面状発熱体の上に顕熱蓄熱層が積層されたものである。
このような床暖房構造体の施工方法としては、特に限定されないが、例えば、予め潜熱蓄熱層、面状発熱体、顕熱蓄熱層からなる床暖房パネルを作製しておき、基材(コンクリートやモルタル等)や既存のフローリングの上に積層する方法や、基材や既存のフローリングの上に、潜熱蓄熱層、面状発熱体、顕熱蓄熱層を順に積層する方法等が挙げられる。
このようにして得られた床暖房パネルを基材や既存のフローリングの上に公知の接着剤や接着テープを介して積層すればよい。
また、基材や既存のフローリングの上に、潜熱蓄熱層、面状発熱体、顕熱蓄熱層を順に積層する方法では、まず、基材や既存のフローリングの上に、潜熱蓄熱層形成成分を流し込み潜熱蓄熱層を形成する方法、あるいは、予め上述した製造方法により得られた潜熱蓄熱層を貼着する方法等が挙げられる。次に、潜熱蓄熱層の上に、面状発熱体を積層し、その上に、顕熱蓄熱層形成成分(顕熱蓄熱材、結合材等)を流し込み顕熱蓄熱層を形成する方法、あるいは、予め製造された顕熱蓄熱層を公知の接着剤や接着テープ等で貼着する方法等が挙げられる。
本発明の床暖房構造体は、表面側に床材層を積層して使用することもできる。
床材層としては、塩化ビニル、ポリオレフィン等の樹脂タイル及び樹脂シート、一枚板、合板、パーティクルボード等の木質材料、繊維質材料、磁器タイル等のセラミックス材料、大理石、御影石、テラゾー等の石材料、モルタル等のコンクリート材料、ゴムやリノリウム等の天然樹脂タイル及び天然樹脂シート等を使用することができる。また畳、カーペット、じゅうたん、フローリング材等も床材層として使用することができる。本発明では、特に、耐熱性を有するものが、より好ましい。なお、セラミックス材料、石材料、コンクリート材料を使用する場合は、顕熱蓄熱層とみなす。
床材層の厚さは、通常1〜20mm、好ましくは2〜15mm程度であればよい。
本発明では、さらに裏面側に断熱層を積層することもできる。
断熱層を積層することにより、外部からの温度変化を緩和するとともに、面状発熱体で発熱した熱を外部に逃さず、効率良く床面を暖めることができる。
伝熱層としては、例えば、銅、アルミニウム、鉄、真鍮、亜鉛、マグネシウム、ニッケル等の金属材料からなる鋼板等、あるいはこれらの金属材料を含む塗膜またはシート等が挙げられる。本発明では、特に、アルミニウム板を好適に用いることができる。
このような伝熱層は、面状発熱体から発熱した熱を床暖房全面に均等に熱を伝えることができ、効率良く、床面を暖めることができる。
伝熱層を積層する箇所としては、特に限定されないが、潜熱蓄熱層と面状発熱体の間、顕熱蓄熱層と面状発熱体の間、また床材層がある場合は、床材層と顕熱蓄熱層の間等が挙げられる。
潜熱蓄熱層1:表1に示す原料を用い、表2に示す配合1にて、有機潜熱蓄熱材、界面活性剤、ヒドロキシル基含有化合物、イソシアネート基含有化合物を温度40℃で混合し、蓄熱材Aをコロイド状(平均粒子径190μm)に分散させ、反応促進剤を加え、十分攪拌した。攪拌後、50μmのポリエチレンテレフタレートフィルム(PETフィルム)を敷いた600mm×600mmの型枠中に流し込み、脱型して50℃で180分硬化させて潜熱蓄熱層1を得た。なおNCO/OH比率は1.0であった。また、潜熱蓄熱層1としては、厚みが異なるものを4種類(3mm、5mm、10mm、15mm)用意した。詳細は表3に示す。
顕熱蓄熱層1:モルタル板(600mm×600mm)を顕熱蓄熱層1とした。また、顕熱蓄熱層1としては、厚みが異なるものを6種類(15mm、20mm、25mm、27mm、50mm、100mm)用意した。詳細は表3に示す。
潜熱・顕熱蓄熱層1:セメント100重量部に対し、潜熱蓄熱カプセル100重量部(固形分100重量%)とを混合し、所定の箇所に流し込んで用いた。また、潜熱・顕熱蓄熱層1の厚みは、50mmとした。
潜熱蓄熱カプセル:カプセル成分;メラミン樹脂、潜熱蓄熱材;ステアリン酸メチル、潜熱蓄熱材含有率40重量%
面状発熱体1:PTC面状発熱体(厚み:1mm)を使用した。
ポリスチレンフォーム(600×600mm、厚さ25mm)の上に、潜熱蓄熱層1(厚み3mm)、面状発熱体1(厚み1mm)を順に重ね合わせ、さらにその上に、顕熱蓄熱層1(厚み27mm)を積層し、さらにその上に床材層として合板(厚み10mm)を積層し、試験体を作製し、次の床暖房性能試験を実施した。
図1に示すように、内寸が600×600×600mmとなるように、側面及び上面に厚さ20mmのポリスチレンフォームを設置し、底面には試験板の床材層側が内側となるように設置し、試験体ボックスを作製した。
さらに、床表面温度、空間温度(ボックス内温度)を測定するため、図1に示すように、床材表面及び床材表面の中心から高さ300mmの位置にそれぞれ熱電対を設置した。また、図1に示すように、床表面には温度センサーを取り付けた。
この試験体ボックスを恒温器の中に設置し、次の実験を行った。
恒温器中の温度を10℃に設定し、15時間放置した。その後恒温器中の温度を10℃に設定したまま、面状発熱体を120分加熱した。
床暖房性能評価として、面状発熱体の加熱開始後60分、加熱開始後120分の各部位の温度を測定した。また、120分加熱した後、加熱を停止し、加熱停止後120分の各部位の温度を測定した。結果は、表3に示した。
測定の結果、加熱開始後60分の空間温度は高い温度となり、加熱停止後120分の空間温度も高い温度を維持し、優れた床暖房性能を示した。
表3に示すように、潜熱蓄熱層1と顕熱蓄熱層1の厚みを代えた以外は、実験例1と同様の方法で試験を行った。結果は表3に示す。
測定の結果、加熱後60分の空間温度は高い温度となり、加熱停止後120分の空間温度も高い温度を維持し、優れた床暖房性能を示した。
表3に示すように、潜熱蓄熱層1と顕熱蓄熱層1の厚みを代えた以外は、実験例1と同様の方法で試験を行った。結果は表3に示す。
測定の結果、加熱開始後60分の空間温度は高い温度となり、加熱停止後120分の空間温度も高い温度を維持し、優れた床暖房性能を示した。
表3に示すように、潜熱蓄熱層1を潜熱蓄熱層2に代えた以外は、実験例2と同様の方法で試験を行った。結果は表3に示す。
測定の結果、加熱開始後60分の空間温度は高い温度となり、加熱停止後120分の空間温度も高い温度を維持し、優れた床暖房性能を示した。
表3に示すように、顕熱蓄熱層1を顕熱蓄熱層2に代えた以外は、実験例2と同様の方法で試験を行った。結果は表3に示す。
測定の結果、加熱開始後60分の空間温度は高い温度となり、加熱停止後120分の空間温度も高い温度を維持し、優れた床暖房性能を示した。
表3に示すように、面状発熱体1を面状発熱体2に代えた以外は、実験例2と同様の方法で試験を行った。結果は表3に示す。
測定の結果、加熱開始後60分の空間温度は高い温度となり、加熱停止後120分の空間温度も高い温度を維持し、良好な床暖房性能を示した。
表3に示すように、潜熱蓄熱層1と顕熱蓄熱層1の厚みを代えた以外は、実験例1と同様の方法で試験を行った。結果は表3に示す。
測定の結果、加熱開始後60分の空間温度はある程度高い温度となり、加熱停止後120分の空間温度は高い温度を維持し、良好な床暖房性能を示した。
表3に示すように、潜熱蓄熱層1を潜熱蓄熱層3に代えた以外は、実験例2と同様の方法で試験を行った。結果は表3に示す。
測定の結果、加熱開始後60分の空間温度はある程度高い温度となり、加熱停止後120分の空間温度もある程度高い温度を維持し、良好な床暖房性能を示した。
顕熱蓄熱層1を積層しない以外は、実験例1と同様の方法で試験を行った。結果は表3に示す。
測定の結果、加熱開始後60分の空間温度は高い温度となったが、加熱停止後120分の空間温度が低い温度となってしまった。
潜熱蓄熱層1を積層せず、顕熱蓄熱層1の厚みを代えた以外は、実験例1と同様の方法で試験を行った。結果は表3に示す。
測定の結果、加熱開始後60分の空間温度が低い温度のままであり、加熱停止後120分の空間温度も低い温度となってしまった。
潜熱蓄熱層1を積層せず、顕熱蓄熱層1の厚みを代えた以外は、実験例1と同様の方法で試験を行った。結果は表3に示す。
測定の結果、加熱開始後60分の空間温度が低い温度のままであった。
潜熱蓄熱層1を積層せず、顕潜熱蓄熱層1の替わりに、潜熱・顕熱蓄熱層1を積層した以外は、実験例1と同様の方法で試験を行った。結果は表3に示す。
測定の結果、積層構造が本発明の規定外であり、特に、面状発熱体の下に潜熱蓄熱層を有さないため、加熱停止後120分の空間温度が低くなってしまった。
顕熱蓄熱層1を積層せず、潜熱蓄熱層1の替わりに、潜熱・顕熱蓄熱層を積層した以外は、実験例1と同様の方法で試験を行った。結果は表3に示す。
測定の結果、積層構造が本発明の規定外であり、特に、面状発熱体の上に顕熱蓄熱層を有さないため、加熱開始後60分の空間温度が低いままであった。
Claims (6)
- 蓄熱層と面状発熱体を備えた床構造体であって、
潜熱蓄熱層の上に、面状発熱体が積層され、さらに面状発熱体の上にモルタル、コンクリート、レンガ、磁器タイルの粒状物、砂、砂利、小砂利、砂岩、大理石、御影石から選ばれる粒状の顕熱蓄熱材を敷き詰めた顕熱蓄熱層が積層されたことを特徴とする床構造体。 - 前記潜熱蓄熱層の厚みと、前記顕熱蓄熱層の厚みの比が、1:1〜1:10であることを特徴とする請求項1に記載の床構造体。
- 前記潜熱蓄熱層の厚みが、1mm以上30mm以下、
前記面状発熱体の厚みが、0.1mm以上3mm以下、
前記顕熱蓄熱層の厚みが、1mm以上50mm以下、
であることを特徴とする請求項1に記載の床構造体。 - 前記潜熱蓄熱層が、有機潜熱蓄熱材を含有することを特徴とする請求項1に記載の床構造体。
- 前記潜熱蓄熱層が、有機潜熱蓄熱材とウレタン樹脂を含有することを特徴とする請求項1に記載の床構造体。
- 前記潜熱蓄熱層が、有機潜熱蓄熱材(a)、親水親油バランス(HLB値)が10以上のポリオキシエチレンソルビタン脂肪酸エステル(e)、ポリオール化合物(c−1)とイソシアネート化合物(c−2)を混合し、有機潜熱蓄熱材(a)をコロイド状に分散させ、(c−1)成分と(c−2)成分を反応させて得られるものであることを特徴とする請求項1に記載の床構造体。
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