JP6132228B2 - 冷却機能又は加温機能を有する衣料 - Google Patents
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Description
表地と裏地との間に面状に設けられ、前記蓄熱手段との熱伝導経路を有すると共に、前記表地及び前記裏地より熱伝導率が高い面状熱伝導シートと、
を備えた衣料であり、
前記面状熱伝導シートは、樹脂成分と黒鉛粒子を含み、前記黒鉛粒子のベーサル面が、前記面状熱伝導シートの面方向と平行であることを特徴とする。
表地と裏地との間に面状に設けられ、前記蓄熱手段との熱伝導経路を有すると共に、前記表地及び前記裏地より熱伝導率が高い面状熱伝導シートと、
を備えた衣料であり、
前記面状熱伝導シートは、樹脂成分と黒鉛粒子を含み、前記黒鉛粒子のベーサル面が、前記面状熱伝導シートの面方向と平行であることを特徴とする。
鱗片状黒鉛粒子と、
前記鱗片状黒鉛粒子を分散させるマトリックス樹脂成分と、
を含み、
前記鱗片状黒鉛粒子において、ベーサル面での最大径をa、前記ベーサル面に直交する厚みをcとした場合に、アスペクト比a/cが平均値で30以上であり、かつ、aが1μm以上、30μm以下であり、
前記鱗片状黒鉛粒子の含有量が、40質量%より多く、90質量%以下である、異方性熱伝導組成物からなってもよい。
図1(a)は、実施の形態1に係る衣服10の表地11側の平面図であり、図1(b)は、衣服10の裏地12側から面状熱伝導シート15を見た透視図である。図2は、実施の形態1に係る衣服10の断面構造を示す断面図である。図3(a)は、別例の面状熱伝導シートと蓄熱手段との平面図であり、図3(b)は、さらに別例の面状熱伝導シートと蓄熱手段との平面図である。
実施の形態1に係る衣服10は、衣服10の表地11側の少なくとも一箇所に設けられた蓄熱手段14と、衣服10の表地11と裏地12との間に面状に設けられ、蓄熱手段14との熱伝導経路を有すると共に、表地11及び裏地12より熱伝導率が高い面状熱伝導シート15と、を備える。この蓄熱手段14としては、冷却材又は発熱体である。なお、蓄熱手段14は、収納ポケット13に納められている。この衣服10によれば、衣服10の着用者の体表温度と蓄熱手段14の温度との高低差によって生じる、面状熱伝導シート15を介した着用者と蓄熱手段14との間の伝熱を利用して、着用者の体表温度を制御することができる。具体的には、蓄熱手段14が冷却材の場合には、着用者からの熱を、面状熱伝導シート15を介して冷却材に伝熱し、一方、蓄熱手段14が発熱体の場合には、発熱体14の熱を、面状熱伝導シート15を介して着用者に伝熱し、着用者の体表温度を快適な温度に制御できる。
衣服10の本体の外形及び素材については特に限定されない。図1(a)及び(b)では、衣服10の外形としてベストの場合を示しているが、これに限られず、シャツやジャケット等の外形を有するものであってもよい。図1のベストでは、腕を通す箇所が開けられており、中央部分は背中側となり、左右部分は前面側となる。また、衣服10の表地11及び裏地12の素材としては、例えば、ポリエステル等を用いることができる。
蓄熱手段14としては、冷却材又は発熱体を用いることができる。この冷却材及び発熱体は、着用者の体表温度に対して低温か、又は、高温であるものとし、着用者の体表温度に対して温度差を設けることができる。また、冷却材及び発熱体としては通常使用されるものであれば使用できる。また、蓄熱手段14は、少なくとも一つ設ければよいが、図3(a)及び(b)に示すように、2以上の蓄熱手段14を設けてもよい。また、2以上の蓄熱手段の配置方向も背骨に沿った方向(図3(a))や、背骨と垂直な方向(図3(b))のいずれでもよい。
さらに、衣服10に蓄熱手段14のみを直接配置した場合、外観がよくない場合や、表地11を傷める場合などがあるので、図1及び図2に示すように、表地11に収納ポケット13を設け、その中に蓄熱手段14を配置してもよい。
面状熱伝導シート15は、衣服10の表地11と裏地12との間に面状に設けられ、蓄熱手段14との熱伝導経路を有すると共に、表地11及び裏地12より熱伝導率が高い。この面状熱伝導シート15は、シート状の形状を有し、熱を面方向に伝達させる部材である。また、この面状熱伝導シート15は、蓄熱手段14と直接又は間接に接触し、衣服10の着用者と蓄熱手段14との間で面方向での伝熱を行う。
また、面状熱伝導シート15として、鱗片状黒鉛粒子と、鱗片状黒鉛粒子を分散させるマトリックス樹脂成分と、を含む異方性熱伝導組成物であってもよい。この異方性熱伝導組成物にせん断力や圧力を印加すると、鱗片状黒鉛粒子のベーサル面は面内配向する性質を有する。そして、鱗片状黒鉛粒子が面内配向することにより、異方性熱伝導組成物は当該面内方向において、より大きな熱伝導性を示すようになる。この異方性熱伝導組成物は、面状熱伝導シートとして、鱗片状黒鉛粒子のベーサル面は、面状熱伝導シートの面内方向に配向し、面方向において優れた熱伝導性を発現する。
さらに、面状熱伝導シート15として、上記異方性熱伝導組成物とは異なり、マトリックス樹脂成分を含まないグラファイト100%のグラファイト製シートを用いてもよい。
鱗片状黒鉛粒子のベーサル面での最大径をa、ベーサル面に直交する厚みをcとした場合、鱗片状黒鉛粒子の厚さcに対する最大径a(以下、長径a)の比:a/cは、平均値で30以上であり、かつ長径aは1μm以上、30μm以下である。また、最大径aと直交するベーサル面での最大径(以下、短径)をbとした場合、短径bに対する長径aの比:a/bは、1以上、20以下であることが好ましい。鱗片状黒鉛粒子がこのような特有の形状を有するので、異方性熱伝導組成物において鱗片状黒鉛粒子が面内配向したときには粒子同士が接触する確率が高くなり、かつ接触箇所における粒子同士の接触面積も大きくなると考えられる。従って、熱伝導経路を効率よく形成できると考えられる。
上述の長径aが1μm以上、30μm以下であり、かつa/c比が30以上である鱗片状黒鉛粒子は、例えば、黒鉛フィルムを粉砕することにより得ることができる。あるいは、天然黒鉛を、長径aが1μm以上、30μm以下であり、かつa/c比が30以上である鱗片状に加工してもよい。また、1種類の鱗片状黒鉛粒子を単独で使用してもよく、長径aおよびa/c比が上記条件を満たす限り、複数種の鱗片状黒鉛粒子を混合して用いてもよい。
鱗片状黒鉛粒子は、例えば図4のような形状を有し、上述のように、長径aが1μm以上、30μm以下であり、かつ厚さcとのa/c比が30以上であるという条件を満たす必要がある。
a/c比が30未満では、黒鉛粒子間の接触箇所が減少し、異方性熱伝導特性を向上させる効果が小さくなる。鱗片状黒鉛粒子同士の接触箇所の数をより増大させるとともに、当該接触箇所における粒子同士の接触面積をより大きくする観点から、a/c比は80以上がより好ましい。一方、マトリックス樹脂成分中での形状保持の観点から、a/c比は200以下が好ましく、150以下がより好ましい。
マトリックス樹脂成分は、特に限定されるものではなく、様々な熱可塑性樹脂もしくはエラストマーを用いることができる。ゴム弾性を有さない熱可塑性樹脂とエラストマーとの混合物を用いてもよい。中でもエラストマーを用いることが好ましく、マトリックス樹脂成分中の50質量%以上はエラストマーであることが好ましい。
上記異方性熱伝導組成物には、鱗片状黒鉛粒子およびマトリックス樹脂成分の他に、様々な添加剤を含むことができる。特に、異方性熱伝導組成物がエラストマーを含むゴム組成物である場合には、様々な添加剤が用いられる。ゴム組成物の添加剤としては、特に限定されないが、ゴム成分を架橋する架橋剤、ゴム成分の機械的強度を向上させるカーボンブラック(ケッチェンブラック、アセチレンブラック等)、ゴムの硬度調整のために適量用いられる可塑剤などが挙げられる。その他、ステアリン酸などの加硫補助剤、劣化防止剤、オイル、滑材、無機粒子(シリカ、アルミナ等)等を必要に応じて組成物に添加することができる。
異方性熱伝導組成物は、鱗片状黒鉛粒子を40重量%より多く含む。鱗片状黒鉛粒子の含有量が40質量%より少ないと、鱗片状黒鉛粒子が上記のような特有の形状を有する場合であっても、鱗片状黒鉛粒子同士の接触箇所が少なすぎるため、粒子同士の接触面積を増大させる顕著な効果が得られない。すなわち、鱗片状黒鉛粒子を40質量%以下しか含まない組成物の異方性熱伝導特性は、一般的な鱗片状黒鉛粒子を含む組成物と同等になる。鱗片状黒鉛粒子の含有量が40質量%以下の範囲では、組成物の熱伝導性は、黒鉛粒子の含有量にほぼ比例して線形的に増加するに過ぎない。一方、異方性熱伝導組成物が鱗片状黒鉛粒子を40重量%より多く含む場合、組成物の熱伝導性は黒鉛粒子の含有量に対して非線形的に増加する。これは粒子形状が、粒子同士の個々の接触箇所における接触面積を十分に確保するのに適した形状であることに基づくものと考えられる。
<第1工程>
まず、異方性熱伝導組成物を調製する。その調製方法は特に限定されず、組成物に含まれるマトリックス樹脂成分、鱗片状黒鉛粒子および必要に応じて添加剤を、それぞれ適切な順序で配合して混練すればよい。ただし、樹脂成分として、エラストマー(ゴム成分)を用いる場合には、混練時の熱でゴムの架橋が進行しないように、まず、ゴム架橋剤を除いた材料の混練を行い、その後、ゴム架橋剤を加えて更に混練を行うことが望ましい。
次に、組成物を所望の厚さのシート状の面状熱伝導シートに成形する。シートの成形方法は、シートの厚さを調整できる方法であれば、特に限定されないが、例えば、シートの厚さ方向に十分な圧力が印加され、鱗片状黒鉛粒子のベーサル面がシートの面方向に配向しやすい点で、カレンダー成形が好適である。
なお、ゴム成分の架橋は、カレンダー成形における熱ロール間を通す際に、組成物に十分な熱エネルギーを供給して進行させることも可能である。
図5は、シートの形状に成形された面状熱伝導シート5の内部構造を模式的に示している。組成物のシート5は、マトリックス樹脂4と、マトリックス樹脂4に分散した状態の鱗片状黒鉛粒子3とで構成されている。上記のような方法で製造されたシート5の内部では、図5に示すように、鱗片状黒鉛粒子3のベーサル面とシート5の面方向Sとが、ほぼ同じ方向を向くように、鱗片状黒鉛粒子3が配向している。このような鱗片状黒鉛粒子3の配向状態については、シート5をその面方向Sに対して垂直な方向に裁断した断面を、走査型電子顕微鏡で観察することで確認できる。
(i)鱗片状黒鉛粒子の製造
厚さ25μmのポリイミドフィルム(東レ・デュポン(株)製、カプトンフィルム)を、アルゴンガス雰囲気中で、2600℃で4時間熱処理し、黒鉛フィルムを得た。得られた黒鉛フィルムを、ジェットミルにより15分間かけて粉砕した。粉砕時の分級部の回転数は20000回転とした。その結果、以下の形状を有する鱗片状黒鉛粒子が得られた。
厚さcに対する長径aの比(a/c比)の平均値:100
短径bに対する長径aの比(a/b比)の平均値:2
得られた鱗片状黒鉛粒子と、EPDM(住友化学工業(株)製、エスプレン)と、過酸化物架橋剤と、ステアリン酸とを混合し、8インチの2本ロール混練機により十分に混練し、異方性熱伝導組成物を調製するとともに、組成物中の鱗片状黒鉛粒子の面方向Pを配向させた。
過酸化物架橋剤およびステアリン酸は、各条件において組成物の2質量%および0.3質量%とした。その後、組成物を1mmの厚さのシートになるように、上記の2本ロール混練機を用いて成形し、更に170℃で10分間加熱して加硫を進行させた。
実施例1−4と同様の条件で得られた黒鉛フィルムを、ジェットミルにより、分級部の回転数を7000回転に設定して、15分間かけて粉砕した。その結果、以下の形状を有する鱗片状黒鉛粒子が得られた。
厚さcに対する長径aの比(a/c比):100
短径bに対する長径aの比(a/b比)の平均値:2
実施例1−4で使用した鱗片状黒鉛粒子を表2の含有量で組成物に含ませたこと以外、実施例1−4と同様にして、組成物を調製し、これをシートに成形し、加硫を進行させた。
実施例5−6で使用した鱗片状黒鉛粒子を表2の含有量で組成物に含ませたこと以外、実施例5−6と同様にして、組成物を調製し、これをシートに成形し、加硫を進行させた。
比較例3−5は、以下の形状を有する(株)中越黒鉛工業所製の鱗片状黒鉛粒子を用いた場合のデータである。
長径aの平均値:160μm
厚さcに対する長径aの比(a/c比):12
短径bに対する長径aの比(a/b比)の平均値:1
各実施例および比較例のシートの熱伝導率および鱗片状黒鉛粒子の配向性について、以下の要領で評価した。結果を表1、2に示す。
各実施例および比較例のシートの熱拡散率を測定した。
ここでは、サーモウェブアナライザ(TA3、(株)ベテル製)により、周期加熱法で熱拡散率αの測定を行った。本実施例の主な効果は、シートの面方向への熱伝導率の向上である。そこで、シートの主要平坦面において、シートを成形する時の組成物の流動方向をX軸、X軸方向に対して垂直な方向をY軸、シートの厚さ方向をZ軸と定義した。せん断力を加えるX軸方向だけでなく、X軸方向と垂直なY軸方向の熱伝導率も測定することにより、シートの面方向への熱伝導率の向上効果を確認した。なお、熱拡散率αは以下の式(1)で求められる。
λ:熱伝導率
ρ:密度
c:比熱
シートから30mm×30mmに切り出した試料を試料台に乗せて測定を行った。
<X、Y軸方向の熱拡散率>
試料に温度波であるレーザを周波数0.5〜3Hzで周期的に照射し、測定箇所をレーザ照射部から4mmの地点まで変化させながら温度波の位相差を読み取る。次に、横軸に距離、縦軸に位相差をプロットしたグラフを作成し、グラフの傾きを求める。得られたグラフの傾きから下記式(2)を用いて熱拡散率が求められる。
試料に温度波であるレーザを周波数0.1〜10Hzで周期的に照射し、位相差を読み取る。次に、横軸に周波数の平方根、縦軸に位相差をプロットしたグラフを作成し、グラフの傾きを求める。得られたグラフの傾きから下記式(3)を用いて熱拡散率が求められる。
f:周波数
a:グラフの傾き
d:試料厚さ
各実施例および比較例のシート内の鱗片状黒鉛粒子の配向性は、シートをその面方向Sに対して垂直な方向に裁断した断面の走査型電子顕微鏡写真(SEM像)で確認した。具体的には、SEM像にシートの面方向Sと平行な基準線を描く。そして、基準線と鱗片状黒鉛粒子のベーサル面とが成す小さい方の角度θを求める。
熱伝導率の向上効果は、鱗片状黒鉛粒子同士の接触箇所の数や接触面積を増加させることにより達成されると考えられる。黒鉛粒子の厚さcに対する長径aの比(a/c)、短径bに対する長径aの比(a/b)が大きい粒子の場合には、a/c比およびa/b比が小さい粒子に比べて、組成物内で粒子が配向する際の可動範囲は大きくなると考えられる。一方、可動範囲が大きくても、粒子同士間の距離が比較的大きい場合には、粒子形状が異なる場合でも、配向の際に一粒子が周辺に存在する粒子と接触する確率はそれほど変わらず、粒子同士間の距離がある程度小さくなったときに、粒子形状の影響が顕在化するとものと思われる。そして、粒子形状の影響が顕在化し始める臨界点が、40質量%付近にあるものと考えられる。
実施の形態2に係る衣服は、実施の形態1に係る衣服と比較すれば、面状熱伝導シートとして、グラファイト製シートを用いている点で相違する。このグラファイト製シートは、実施の形態1に係る衣服に用いた面状熱伝導シートの鱗片状黒鉛粒子の前駆体の一つである高分子フィルムを焼成して得られる黒鉛フィルムを用いることができる。
≪実施例7≫
図12(a)は、実施例7の衣服10の断面構造を示す断面図であり、図12(b)は、(a)の衣服10を着用した着用者が運動した場合の測定箇所1(18)及び測定箇所2(19)の温度変化を示すグラフである。実施例7に係る衣服10は、ベスト形状の衣服10として構成し、表地11に設けた収納ポケット13に冷却材14を配置し、表地11と裏地12との間にグラファイト製シート(グラファイト100%)からなる面状熱伝導シート15を設けた。
この衣服10を着用した着用者が運動した場合に、冷却材14に近い測定箇所1(18)と、冷却材14から離れた測定箇所2(19)における温度を測定し、図12(b)に時間ごとのそれぞれの測定箇所の温度をプロットした。この図12(b)に示されるように、運動によって身体全体の温度が少し上昇するものの、冷却材14に近い測定箇所1(18)の温度も、冷却材から離れた測定箇所2(19)の温度もほぼ同様の温度変化を示した。例えば、表3に示すように、運動終了後、25分経過後の測定箇所1(18)の温度は32.4℃であり、測定箇所2(19)の温度は32.8℃であった。これは、衣服10の表地11と裏地12との間に設けた面状熱伝導体15によって、冷却材14に近い測定箇所1(18)だけでなく、冷却材14から離れた測定箇所2(19)の熱も冷却材14へ伝熱して、身体全体の体表温度を均等化することができたものと思われる。
実施例8に係る衣服では、実施例7に係る衣服と比較すると、面状熱伝導シート15が実施例1に係る異方性熱伝導組成物からなるシートである点で相違する。
例えば、表3に示すように、運動終了後、25分経過後の測定箇所1(18)の温度は32.3℃であり、測定箇所2(19)の温度は33.6℃であった。これは、衣服10の表地11と裏地12との間に設けた面状熱伝導体15によって、冷却材14に近い測定箇所1(18)だけでなく、冷却材14から離れた測定箇所2(19)の熱も冷却材14へ伝熱して、身体全体の体表温度を均等化することができたものと思われる。
図13(a)は、比較例6の衣服50の断面構造を示す断面図であり、図13(b)は、(a)の衣服50を着用した着用者が運動した場合の測定箇所1及び測定箇所2の温度変化を示すグラフである。比較例6に係る衣服50では、実施例7及び8に係る衣服と比較すると、冷却材14は配置している点では共通するものの、面状熱伝導シートを設けていない点で異なる。
この図13(b)に示されるように、運動によって身体全体の温度が上昇するとともに、冷却材14に近い測定箇所1(18)の温度はあまり変化しないものの、冷却材から離れた測定箇所2(19)の温度は運動中から上昇していき、運動終了後には測定箇所1(18)とは約4℃もの温度差を生じた。例えば、表3に示すように、運動終了後、25分経過後の測定箇所1(18)の温度は31.3℃であり、測定箇所2(19)の温度は35.1℃であった。これは、衣服10の表地11と裏地12との間に面状熱伝導体15がなく、冷却材14に近い測定箇所1(18)だけが冷却され、一方、冷却材14から離れた測定箇所2(19)の熱はそのまま測定箇所2(19)にとどまったため、測定箇所1(18)と測定箇所2(19)との間には大きな温度差が生じたものと思われる。
実施の形態3に係る衣料(帽子、ヘルメット)は、実施の形態1,2の衣料(衣服)において用いた面状熱伝導シートを、帽子100、ヘルメット101へ応用した例である。
図14(a)は、実施の形態3に係る帽子100の表側の斜視図である。図14(b)は、(a)の帽子100の裏面側の底面図である。実施の形態1,2と同様に、帽子100の表地11と裏地12との間に面状熱伝導シート15を設けている。また、収納ポケット13を帽子100の前方側面(帽子100のつば21の上部)に設けたが、これに限られず後方側面に設けてもよい。収納ポケット13に蓄熱手段14が挿入される。これによって、蓄熱手段14として用いる冷却源又は加熱源の熱を、面状熱伝導シート15により帽子100内に広げられる。
この例では、面状熱伝導シート15が、帽子100の側面に配置され、人の頭の側面を冷やす、あるいは暖めることができる。
面状熱伝導シート15などは、実施の形態1,2と同じものを使用できる。
なお、図示しないが、図14(b)と同様、面状熱伝導シート15をヘルメット101の内部の周辺に設けることで、人の頭の側面を冷やす、あるいは暖めることができる。
また、この例では、面状熱伝導シート15は、長方形の細長いライン状で、収納ポケット13から2方向へ広げられている。上記ラインを通じて、熱が伝わる。
2,4 マトリックス樹脂
3 鱗片状黒鉛粒子
5 シート
6 基準線
10 衣服
11 表地
12 裏地
13 収納ポケット
14 蓄熱手段(冷却材)
15 面状熱伝導シート
16 肩甲骨部分
17 背骨下部
18 測定箇所1
19 測定箇所2
21 つば
22 透明カバー
50 衣服
100 帽子
101 ヘルメット
Claims (6)
- 衣料の表地側の少なくとも一箇所に設けられた蓄熱手段と、
衣料の表地と裏地との間に面状に設けられ、前記蓄熱手段との熱伝導経路を有すると共に、前記表地及び前記裏地より熱伝導率が高い面状熱伝導シートと、
を備えた衣料であり、
前記面状熱伝導シートは、樹脂成分と黒鉛粒子を含み、前記黒鉛粒子のベーサル面が、前記面状熱伝導シートの面方向と平行であり、
前記面状熱伝導シートは、前記蓄熱手段から4方向へ、ライン状に広げられている、衣料。 - 前記蓄熱手段は、衣料の表地側の複数箇所に設けられ、
それぞれ前記蓄熱手段は、前記4方向へのライン状の前記面状熱伝導シートの2方向へ分かれる元部分に位置する、請求項1に記載の衣料。 - 前記面状熱伝導シートは、
鱗片状黒鉛粒子と、
前記鱗片状黒鉛粒子を分散させるマトリックス樹脂成分と、
を含み、
前記鱗片状黒鉛粒子において、ベーサル面での最大径をa、前記ベーサル面に直交する厚みをcとした場合に、アスペクト比a/cが平均値で30以上であり、かつ、aが1μm以上、30μm以下であり、
前記鱗片状黒鉛粒子の含有量が、40質量%より多く、90質量%以下である、異方性熱伝導組成物からなり、
前記鱗片状黒鉛粒子の前記ベーサル面と前記シートの面方向とが成す小さい方の角度θが、平均値で13°以上、16°以下である、請求項1または2に記載の衣料。 - 前記異方性熱伝導組成物の前記鱗片状黒鉛粒子は、前記最大径aと直交するベーサル面での最大径をbとした場合、比a/bが、1以上、20以下である、請求項3に記載の衣料。
- 衣料の表地側の少なくとも一箇所に設けられた蓄熱手段と、
衣料の表地と裏地との間に面状に設けられ、前記蓄熱手段との熱伝導経路を有すると共に、前記表地及び前記裏地より熱伝導率が高い面状熱伝導シートと、
を備えた帽子であり、
前記面状熱伝導シートは、樹脂成分と黒鉛粒子を含み、前記黒鉛粒子のベーサル面が、前記面状熱伝導シートの面方向と平行であり、
前記面状熱伝導シートは、前記蓄熱手段から2方向へ、ライン状に、前記帽子の側面周囲に設けられ、
前記面状熱伝導シートは、
鱗片状黒鉛粒子と、
前記鱗片状黒鉛粒子を分散させるマトリックス樹脂成分と、
を含み、
前記鱗片状黒鉛粒子において、ベーサル面での最大径をa、前記ベーサル面に直交する厚みをcとした場合に、アスペクト比a/cが平均値で30以上であり、かつ、aが1μm以上、30μm以下であり、
前記鱗片状黒鉛粒子の含有量が、40質量%より多く、90質量%以下である、異方性熱伝導組成物からなり、
前記鱗片状黒鉛粒子の前記ベーサル面と前記シートの面方向とが成す小さい方の角度θが、平均値で13°以上、16°以下である、帽子。 - 前記異方性熱伝導組成物の前記鱗片状黒鉛粒子は、前記最大径aと直交するベーサル面での最大径をbとした場合、比a/bが、1以上、20以下である、請求項5に記載の帽子。
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