JP6872319B2 - 発熱シート及び放熱シートを有するシステム - Google Patents

Description

本発明は、発熱シート及び放熱シートを有するシステムに関する。

リチウムイオン電池、モーター等の電気装置は、ジュール熱により発熱するが、氷点下等の寒冷地では電池反応性の低下や凍結等により、動作に支障が出るおそれがある。このため、電池に加熱用のヒーターを設けることが提案されている（特許文献１〜５参照）。

特開２０１１−１６５３９０号公報 特開２０１１−１６５３９１号公報 特許第４９２５６８０号公報 特許第５１０５８０９号公報 特許第４９４８１８７号公報

例えばリチウムイオン電池は、１０〜４５℃の温度領域で充放電が効率的になされ、それより低温でも高温でも性能が悪化する。電気装置自体が発熱体であるため、従来、高温での動作を改善するためには、送風ファンなどの大きい設備が必要とされている。しかし、低温で電気装置を使用する場合、動作中は電気装置自体の発熱により温度が維持されても、動作を開始する際には、電気装置を加熱して、効率よく動作を開始させる必要がある。そのため、低温から高温まで広範囲の温度で電気装置を使用するためには、小型で、加熱（発熱）と放熱（放冷）という、相反する機能を併せ持つ材料の開発が望まれる。

なお、特許文献３の段落００３５には、ダイオード等の発熱部品を、アウターケースの内面に設けられた金属シャーシーに固定して、発熱部品の放熱板に併用することが記載されている。しかし、特許文献３の一実施例として記載された発明では、シートヒーターはインナーケースの上下面（リード板設置面）に配設されており、インナーケースの両側面に配設される金属シャーシーとは位置が異なっている。

また、特許文献３には、他の実施例として、金属シャーシーがインナーケースの側面及び上下面を覆う構成も開示されている。その場合、ヒーターから金属シャーシーへの熱伝導を防ぐため、ヒーターが直接に金属シャーシーに接触しないように構成することが記載されている（特許文献３の段落００４８〜００４９）。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、発熱シートと放熱シートを併せ持ち、対象物の温度を所定の範囲内に維持するために好適に利用することが可能なシステムを提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、対象物の互いに対向する箇所にそれぞれ発熱シート及び放熱シートが設けられたシステムであって、前記発熱シートは、前記発熱シートを前記対象物に貼着するための粘着層と、前記対象物を加熱するための発熱層と、前記発熱層に通電するための通電部とを含み、前記発熱層が、炭素粒子と樹脂バインダーを含むことを特徴とするシステムを提供する。

前記通電部が、前記発熱シートの対向する両辺に沿って設けられていてもよい。
前記発熱シートが表面に保護層を有し、前記通電部が接着層を介して前記保護層に接合されていてもよい。
前記発熱シートの前記粘着層が、シリコーン系の粘着剤からなる厚み１〜１５μｍの粘着層であってもよい。

前記放熱シートは、前記放熱シートを前記対象物に貼着するための粘着層と、人工グラファイトからなる放熱層とを含んでもよい。
前記放熱シートの前記粘着層が、シリコーン系の粘着剤からなる厚み１〜１５μｍの粘着層であってもよい。
さらに温度センサを有してもよい。

前記対象物が電池であってもよい。
前記電池が、少なくとも樹脂基材層とバリア層とシーラント層とを含む積層体からなる外装体により包装されていてもよい。

本発明によれば、対象物の周囲のそれぞれ異なる領域に発熱シートと放熱シートとが設けられているので、低温条件下では、発熱シートにより対象物を加熱することができる。また、高温条件下では、放熱シートを通じて対象物の余分な熱を放出することができる。温度調整の対象物が、例えば電池等のように、低温では起動が困難であり、起動後は対象物自身の発熱が大きい場合であっても、対象物の過度な高温を抑制することができる。

本発明の温度調整システムの一例を示す斜視図である。 温度調整システムにおける時間ごとの温度の変化を例示する概念図である。

以下、好適な実施形態に基づき、図面を参照して本発明を説明する。
図１に、本実施形態の温度調整システム３０の一例を示す。この温度調整システム３０は、対象物３１の片面に、発熱シート１０が貼着され、対象物３１の反対側の面に、放熱シート２０が貼着された構成を有する。

本実施形態の発熱シート１０は、粘着層１１と、発熱層１２と、通電部１４を含む積層体である。さらに発熱シート１０は、保護層１３、基材層等を含むこともできる。

粘着層１１は、発熱シート１０を対象物３１に貼着するために用いられる。粘着層１１を構成する粘着剤としては、シリコーン粘着剤、アクリル粘着剤、ゴム系粘着剤、ウレタン粘着剤等が挙げられるが、使用可能温度の広さ（耐寒性及び耐熱性）、耐薬品性、耐水性等の観点から、シリコーン粘着剤が好ましい。粘着剤層の厚さとしては、例えば１〜１５μｍが挙げられる。粘着層１１が薄すぎると接着力が低くなり、粘着層１１が厚すぎると熱伝導性が低下するおそれがある。

発熱層１２は、炭素粒子と樹脂バインダーを含む。炭素粒子としては、カーボンブラック、カーボンファイバー、カーボンナノチューブ、フラーレン、グラファイト粉末、無定形炭素等が挙げられる。樹脂バインダーとしては、アクリル樹脂、ウレタン樹脂、エポキシ樹脂、スチレン樹脂、ポリオレフィン樹脂、酢酸ビニル樹脂、ポリエステル樹脂、ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂、メラミン樹脂、フェノール樹脂、尿素樹脂、シリコーン樹脂、合成ゴム、天然ゴム、エラストマー等が挙げられる。発熱層１２には、炭素粒子以外の導電性粒子（金属粒子等）、金属酸化物粒子、添加剤等を含んでもよい。

通電部１４は、外部から給電を受けることにより、発熱層１２に通電して発熱層１２を発熱させ、対象物３１を加熱することができる。通電部１４の設置箇所は特に限定されず、発熱層１２の面上の複数箇所であればよい。例えば同一の面の対向する各辺に対をなして通電部１４を設けると、その面内全体に通電して発熱層１２を発熱させることができるので好ましい。通電部１４の１又は２以上を発熱シート１０の端部に設けてもよく、通電部１４の１又は２以上を発熱シート１０の端部から離れた中央部に設けてもよい。通電部１４の形成材料及び方法は特に限定されないが、金属箔片の接着、導電ペーストの印刷等が挙げられる。通電部１４を保護層１３に接着固定するため、通電部１４と保護層１３との間に接着層１５を介在させてもよい。

保護層１３としては、ポリエチレンテレフタレート等のポリエステル樹脂、ポリプロピレン等のポリオレフィン樹脂、ナイロン（ポリアミド樹脂）、ポリイミド等の樹脂フィルムが挙げられる。保護層１３は、発熱シート１０の外面又はその付近、例えば発熱層１２の表面に、任意に積層することができる。保護層１３はコーティング層であってもよいが、保護層１３が樹脂フィルムである場合、通電部１４をパターン状に形成する際の基材として利用することもできる。

発熱シート１０の製造方法は特に限定されないが、例えば、保護層１３の上に接着層１５を介して通電部１４を接着した後、通電部１４の上に発熱層１２と粘着層１１を順次積層する方法が挙げられる。保護層１３の上に通電部１４を形成する方法としては、エッチング、メッキ、印刷等の湿式パターニング、切削、型押し、打抜き等の乾式パターニングが挙げられる。

発熱シート１０を製造した後、対象物３１に貼着するまで粘着層１１の表面を保護するため、粘着層１１の表面には、剥離シートを設けることができる。剥離シートを粘着層１１に貼着した状態では、発熱シート１０の運搬、保管等の間、粘着層１１を保護することができる。発熱シート１０を対象物３１に貼着する際は、粘着層１１から剥離シートを軽い力で容易に剥離することができる。剥離シートの構成は特に限定されないが、樹脂フィルム、紙等の基材の表面に、シリコーン樹脂、フッ素樹脂等の剥離剤を有する積層体が挙げられる。

本実施形態の発熱シート１０は、導電体として炭素粒子を含み、樹脂バインダーで結合した構造の発熱層１２を有するので、折り曲げた状態で貼着できる可撓性を付与することも可能である。この場合、１の発熱シート１０を対象物３１の表面で２以上の面にわたって貼着することもできる。

本実施形態の放熱シート２０は、粘着層２１と、放熱層２２を含む積層体である。さらに放熱シート２０は、保護層、基材層等を含むこともできる。

粘着層２１は、放熱シート２０を対象物３１に貼着するために用いられる。粘着層２１を構成する粘着剤としては、シリコーン粘着剤、アクリル粘着剤、ゴム系粘着剤、ウレタン粘着剤等が挙げられるが、使用可能温度の広さ（耐寒性及び耐熱性）、耐薬品性、耐水性等の観点から、シリコーン粘着剤が好ましい。粘着剤層の厚さとしては、例えば１〜１５μｍが挙げられる。粘着層２１が薄すぎると接着力が低くなり、粘着層２１が厚すぎると熱伝導性が低下するおそれがある。

放熱層２２は、金属箔、セラミックス等の熱伝導性に優れた層であればよいが、特に、グラファイトシートまたはこれを含む材料（積層体等）から構成されている。グラファイトシートとしては、天然グラファイトまたは人工（合成）グラファイトのいずれも使用できる。グラファイトシートの厚さは、例えば単層当たり１０〜１０００μｍ程度が好ましい。２層以上又は２種以上のグラファイトシートを接着剤等によりラミネートしてもよい。天然グラファイトは安価であり、人工グラファイトは不純物が少なく、放熱効率等の物性に優れるので、それぞれ用途や性能等を考慮して選択することが好ましい。

グラファイトシートの特性としては、例えば、平面方向の電気伝導度が５０００〜２５０００Ｓ／ｃｍ（比抵抗が４×１０^−５〜２×１０^−４Ω・ｃｍ）、平面方向の熱伝導率が１００〜３０００Ｗ／（ｍ・Ｋ）、厚さ方向の熱伝導率が１〜３０Ｗ／（ｍ・Ｋ）等が挙げられる。グラファイトシートはシート全体が層状構造を有する結晶質であり、厚さ方向に単原子層が積層された結晶軸（ｃ軸）を有するため、その物性は、厚さ方向と平面方向に対して大きな異方性を示す。グラファイトシートは、平面方向の熱伝導性に優れることから、熱を面内に分散させ、効率的に放熱（放冷）することが可能である。

発熱シート１０が貼着された面とは異なる面に放熱シート２０を貼着すると、グラファイトシートを有する放熱層２２が粘着層２１を介して対象物３１に積層される。これにより、対象物３１から直接外部に放熱される場合に比べて、放熱量（放熱時の熱移動量）を増大させることができる。

放熱シート２０の放熱層２２上には、放熱層２２を保護するための保護層を設けることができる。放熱層２２の保護層としては、発熱シート１０の保護層１３と同様な樹脂フィルムやコーティング層等が挙げられる。放熱層２２上に保護層を設けることにより、グラファイトシートの破損、グラファイトの破片等による汚れを抑制することができる。

温度調整システム３０の対象物３１としては、リチウムイオン電池、燃料電池、二次電池、モーター、表示装置等の電気装置が挙げられる。対象物３１が扁平である場合、対象物３１の厚さ方向の両側に該当する両面のうち、一方の面に発熱シート１０が貼着され、前記一方の面に対向する他方の面に放熱シート２０が貼着されてもよい。この場合、対象物３１の表面で面積の大きな面に、それぞれ発熱シート１０及び放熱シート２０が貼着されるので、対象物３１を被覆する割合が大きく、対象物３１の温度調整を効率的に行うことができる。

大容量又は大電圧の電池は、一般に、複数のセルを並列又は直列に接続することにより構成されるので、セル、サブモジュール、モジュール、パック、アレイ等の階層構造を採ることがある。本実施形態のシステム３０は、これらの階層における大小いずれの単位（ユニット）を対象物３１とすることも可能である。２以上の階層に本実施形態のシステム３０を採用する場合は、各階層における対象物３１の形状、寸法等に合わせて、発熱シート１０及び放熱シート２０の設計を柔軟に変更することができる。

対象物３１が、リチウムイオン電池等の電池セルである場合には、少なくとも樹脂基材層とバリア層とシーラント層とを含む積層体からなる外装体により包装されていることが好ましい。これにより、軽量で、広い温度にわたり耐久性を確保し、かつ粘着層１１，２１による貼着が容易になる。

樹脂基材層としては、ポリエチレンテレフタレート等のポリエステル樹脂、ポリプロピレン等のポリオレフィン樹脂、ナイロン（ポリアミド樹脂）、ポリイミド等の樹脂フィルムが挙げられる。ガスバリア層としては、ステンレス、アルミ箔等の金属箔が挙げられる。シーラント層としては、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン樹脂、特に無水マレイン酸等の酸変性ポリオレフィン樹脂が挙げられる。

複数のセルを内蔵したモジュール等においては、金属、繊維強化プラスチック等の機械的強度に優れた材質からなる外装ケースが好ましい。

本実施形態の温度調整システム３０においては、対象物３１の温度を測定する温度センサや、測定温度に基づき、発熱シート１０に対する通電状態と未通電状態とを切り替える制御器（温度コントローラ）を備えてもよい。通電部１４から発熱層１２に通電する電流値は、オン・オフの２段階でもよく、通電量の大小を段階的又は連続的に変化させてもよい。

本実施形態の温度調整システム３０によれば、対象物３１が低温状態にある場合は、発熱シート１０に通電することにより、対象物３１の稼働に適した温度まで対象物３１を加熱することができる。また、対象物３１が高温状態にある場合は、発熱シート１０の通電を停止し、放熱シート２０からの放熱を優勢にし、対象物３１の稼働に適した温度まで対象物３１を冷却することができる。

以上、本発明を好適な実施形態に基づいて説明してきたが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。

対象物３１の形状は、柱状、板状、筒状など特に限定されない。発熱シート１０及び放熱シート２０は、可撓性があり、粘着層１１，２１により対象物３１に貼着が可能であるので、任意の平面形状を採用することが可能である。

例えば対象物３１の外形が略直方体の場合は、六面のうち最も広い二面の少なくとも一方に発熱シート１０が貼着され、最も広い二面の他方に放熱シート２０が貼着されることが好ましい。さらに、より狭い４面のうち１又は２以上の面に発熱シート１０又は放熱シート２０が貼着されてもよい。

例えば対象物３１の外形が円柱状等のように、表面に曲面を有する場合は、同一の面の一部の領域に発熱シート１０が貼着され、それとは異なる領域に放熱シート２０が貼着されてもよい。

図２は、温度調整システムにおける時間ごとの温度の変化を例示する概念図である。この概念図は、低温環境Ｔ０（例えば−２０℃以下）に３種類の温度調整システムを設置して対象物の起動を開始したとき、起動開始からの経過時間と、対象物に設置した温度センサの測定値に基づき、経過時間に対する温度変化を示したものである。
曲線１は対象物３１を電池とし、その両面に発熱シート１０、放熱シート２０をそれぞれ貼着し、温度コントローラを含んだ本実施形態の温度調整システムの時間ごとの温度変化を表す。
曲線２は対象物３１の電池の片面に放熱シート２０のみを貼着した温度調整システムの、曲線３は対象物３１の電池の片面に発熱シート１０のみを貼着した温度調整システムの温度変化のイメージをそれぞれ表す。
本実施形態の温度調整システム３０の構成を採用することにより図２の曲線１のように低温環境で電池の起動が可能であり、電池本体の発熱時でも、温度センサの設定温度Ｔ１（例えば３０〜６０℃）に達した時間（ｔ１）以降は発熱シートの発熱が停止し、電池が過剰に加熱された分は放熱シートで放熱するため、所定の温度への調整が早くなり、電池の出力を素早く一定とすることが可能である。

以下、実施例をもって本発明を具体的に説明する。なお、本発明は、これらの実施例のみに限定されるものではない。

（実施例１）
厚さ３８μｍのポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）フィルム基材の片面上の複数箇所に、アルミニウム電極（厚さ７μｍ、幅５ｍｍ×長さ５０ｍｍ）をウレタン系接着剤（１μｍの厚さ）で貼り付けた後、ＰＥＴフィルム基材のアルミニウム電極が貼着された面上（電極上を含む）に、カーボンブラックを含んだ樹脂塗料を２５μｍの厚さになるよう塗布して、発熱層を形成した。さらに、ＰＥＴフィルム基材の裏面に、厚さ５μｍのシリコーン粘着剤を塗布することにより粘着層を形成して、発熱シートを得た。
表面外装体として、ＰＥＴ基材、アルミニウムのバリア層、ポリプロピレンからなるシーラント層の層構成であるラミネートフィルムを、シーラント層が内側になるように袋状にして電池用容器を作製した。電池用容器の内部に、電極、セパレータ、電解質等を収容して、偏平形のリチウムイオン電池（１００ｍｍ×５０ｍｍ×５ｍｍの大きさ）を作製した。
電池表面の大きな部分（１００ｍｍ×５０ｍｍの面）の片面に発熱シートを貼着した。また、発熱シートに対向する面には、放熱シートとして、人工グラファイトシート（厚さ１００μｍ）をシリコーン粘着樹脂を介して密着させた。また、電池の表面には温度を測定するための温度センサを設置し、電池本体が４０℃以上になった時には、発熱シートの通電部に電気が流れず、発熱シートが発熱しないように温度コントローラを接続して、実施例１の温度調整システムを構成した。
実施例１の温度調整システムによれば、低温環境で電池の起動が可能であり、電池本体の発熱時でも、温度センサの設定温度である４０℃に達した以降は発熱が停止したので、一定温度で電池が駆動し、電池の出力が一定の電圧を示し、良好であった。

（比較例１）
リチウムイオン電池の片面に放熱シートを貼着し、発熱シートと温度コントローラを省略したこと以外は実施例１と同様にして、比較例１の温度調整システムを構成した。
比較例１の温度調整システムによれば、電池の温度が上昇した時は放熱作用があり、一定温度で電池が駆動するのを確認できた。しかし、低温環境に置いた時の電池の起動が遅く、温度が上昇しないうちの出力電圧が著しく低かった。また、比較例１において放熱シートを貼着していない側の面は、通電を停止した状態の発熱シート（実施例１）に比べて熱伝導性が低く放熱性が劣るため、放熱量が電池の発熱量と平衡に達した状態における温度（平衡温度）は、実施例１に比べてやや高くなった。

（比較例２）
リチウムイオン電池の片面に発熱シートを貼着し、温度コントローラを省略したこと以外は実施例１と同様にして、比較例２の温度調整システムを構成した。
比較例２の温度調整システムを低温環境に置いた時、電池が駆動する際の速度（温度上昇速度）は、実施例１の場合よりも速かったが、発熱シートによる加熱が継続することにより、電池が高温になりすぎる欠点があった。電池本体の温度が７０℃以上まで上昇すると、周囲の低温環境との温度差が拡大することにより、平衡温度に達したが、その間の温度の変動が激しく、電池の電圧が一定ではなかった。

１０…発熱シート、１１…粘着層、１２…発熱層、１３…保護層、１４…通電部、１５…接着層、２０…放熱シート、２１…粘着層、２２…放熱層、３０…温度調整システム、３１…対象物。

Claims (9)

1. 扁平の対象物の厚さ方向の両側のうち、一方の側に発熱シートが設けられ、他方の側に放熱シートが設けられたシステムであって、
   前記発熱シートは、外面に第１の保護層が積層され、
   前記放熱シートは、放熱層上に第２の保護層が積層され、
   前記発熱シートは、前記発熱シートを前記対象物に貼着するための粘着層と、前記対象物を加熱するための発熱層と、前記発熱層に通電するための通電部とを含み、前記発熱層が、炭素粒子と樹脂バインダーを含むことを特徴とするシステム。
2. 前記通電部が、前記発熱シートの対向する両辺に沿って設けられていることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
3. 前記発熱シートは、前記通電部が接着層を介して前記第１の保護層に接合されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のシステム。
4. 前記発熱シートの前記粘着層が、シリコーン系の粘着剤からなる厚み１〜１５μｍの粘着層であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のシステム。
5. 前記放熱シートは、前記放熱シートを前記対象物に貼着するための粘着層と、人工グラファイトからなる前記放熱層とを含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のシステム。
6. 前記放熱シートの前記粘着層が、シリコーン系の粘着剤からなる厚み１〜１５μｍの粘着層であることを特徴とする請求項５に記載のシステム。
7. さらに温度センサを有することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のシステム。
8. 前記対象物が電池であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載のシステム。
9. 前記電池が、少なくとも樹脂基材層とバリア層とシーラント層とを含む積層体からなる外装体により包装されていることを特徴とする請求項８に記載のシステム。

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