JP6931894B2 - 遠赤外線輻射シート、床暖房システムおよびドーム型温熱機器 - Google Patents
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Description
図1Bは、変形例に係る遠赤外線輻射シートの分解図である。この遠赤外線輻射シート1では、熱拡散型混抄紙10が、0.1mm〜0.2mmの厚さを有する一組のプリプレグ11でパッキングされることでガラスエポキシ板化され、熱拡散シート12が構成されている。
terephthalate)フィルム23aおよび23bによってパッキングされている。
次に、黒鉛シートの熱拡散効果および2次元的熱分布の均一化効果における影響に関する検証について説明する。ここでは、図1Aに示す遠赤外線輻射シートを用いて検証した。
2017年1月24日〜2017年2月1日である。
本実施形態に係る発熱型混抄紙に、高熱伝導性の炭素繊維、もしくは黒鉛を使用した熱拡散型混抄紙を、遠赤外線の輻射面に積層させる手段が、熱拡散率を向上させると共に、2次元的な熱分布を均一化させる事に有用であることを、数値により証明する。なお、高熱伝導性を有する炭素繊維や黒鉛を使用したシート(熱拡散型混抄紙)として、グラファイトシートなど数種の選択肢があるが、これらの中で、価格や入手し易さにも考慮し、本検証では、天然黒鉛を圧縮製紙した黒鉛シート(以下「黒鉛シート」と呼称する)を用いた。また、熱拡散率はシートの熱容量により影響を受けるため、「薄手」と「厚手」の2種類の黒鉛シートについて検証した。
株式会社IWC内、「遠赤王技術センターIWC第1工場」である。
黒鉛シートを積層しない遠赤外線輻射シート(以下、「黒鉛無しシート」と呼称する)及び、黒鉛シートを遠赤外線輻射シートの輻射面に積層したシート(以下、「黒鉛積層型シート」と呼称する)を用いたフローリング床を再現し、接触型デジタル温度計(以下「温度計」と呼称する)を設置する。加温開始し、設定温度に到達した後に温度安定した状態で、両シート上3点の温度を計測し、熱分布の均一状態を比較する。その後、ウレタン系アルミ付き断熱材を用いて、人為的に異常発熱を発生させ、時間の経過毎に異常発熱帯と放熱帯の温度変化を計測することで、黒鉛シートが熱拡散に有用である事を確認する。
室温:15.6℃〜16.3℃
温度制御センサを有するコントローラ(以下、「コントローラ」と呼称する)の設定温度:50℃
薄手黒鉛積層型シート:厚さ65μm、熱伝導率(面方向)80W/m・K
厚手黒鉛積層型シート:厚さ105μm、熱伝導率(面方向)120W/m・K
図2は、本検証に係る装置の概要を示す「実験キッド構造図」であり、図3は、本検証に係る装置の概要を示す「実験キッド平面図」である。
(1)薄手黒鉛積層型シート(80W)上のA(放熱帯から20cm離れた箇所)、B(放熱帯)、C(異常発熱帯)に温度計を設置する。
(2)厚手黒鉛積層型シート(120W)上のD(放熱帯から20cm離れた箇所)、E(放熱帯)、F(異常発熱帯)に温度計を設置する。
(3)薄手黒鉛積層型シートの代わりに、黒鉛無しシートを用い、A(放熱帯から20cm離れた箇所)、B(放熱帯)、C(異常発熱態)に温度計を設置する。
(4)コントローラを設置し、検証時の制御温度を50℃にする。
以下の(a)〜(c)各シートのそれぞれにつき、下記(手順1)〜(手順6)の順にて行なう。
(a)黒鉛無しシート
(b)薄手黒鉛積層型シート
(c)厚手黒鉛積層型シート
(手順2)コントローラ上の温度が50℃(ピーク温度)に達した後、温度計の数値を計測することで、上昇温度が安定したことを確認し、その時点での温度から熱ムラ指数を割り出し、2次元的熱分布の均一度を比較する。
(手順3)上記(手順2)にて温度の安定を確認後、ウレタン系アルミ付き断熱材を温度計CおよびF上に設置することにより、異常発熱を発生させる。
(手順4)異常発熱下での、温度変化を計測し、上記(a)黒鉛無しシートの異常発熱帯シート表面温度が94℃に達する時点を上限とし計測する。
(手順5)温度計設置箇所それぞれにおいて、平常発熱状態下での安定ピーク温度と異常発熱開始から上記(手順4)時点のピーク温度との数値差を割り出し、熱拡散効果を検証する。
(手順6)熱容量が熱拡散率へ与える影響を明らかにするため、黒鉛積層型シートについては、上記(b)薄手黒鉛積層型シート、(c)厚手黒鉛積層型シートのいずれかの異常発熱帯シート表面温度が94℃に達するまで検証を続行する。ここで、「94℃」としたのは、接触型デジタル温度計の温度限界が「95℃」であるため、これに到達しないようにするためである。
ここでは、黒鉛無しシートおよび黒鉛積層型シート厚手/薄手それぞれにおけるA/D(放熱帯から20cm離れた箇所)、B/E(放熱帯)、C/F(異常発熱帯)という3地点の平均温度と、それに対する計測点ABCもしくは計測点DEF内での最高温度、最低温度との温度差比較を示す。
(β)「熱ムラ指数」とは、平均温度に対する最高温度と最低温度それぞれの温度差値をプラス方向・マイナス方向に関係なく足したものである。
(γ)熱ムラ指数値が低いほど熱ムラが小さい(つまり、2次元的熱分布の均一化が成されている)と判断できる。
黒鉛無しシートにおける異常発熱帯シート表面温度が120分後に94℃に達した。また、黒鉛積層型シートにおいては、(b)薄手黒鉛シートが340分後に94℃に達した。以下、平常発熱状態下での安定ピーク温度と異常発熱開始120分後の温度差(上昇温度)を示す。
以上のように、本実施形態に係る検証結果から、黒鉛シートを遠赤外線輻射シートの輻射面に積層する事が、熱拡散率を向上させると共に、2次元的な熱分布を均一化させ、局所的な温度情報を抑制する事に有用であると結論付けられる。
次に、従来型の「黒鉛無しシート」と本実施形態に係る「黒鉛積層型シート」について、遠赤外線放射エネルギー量を測定し、両者を比較した。
2017年7月7日〜2017年7月14日である。
株式会社IWC内、「遠赤王技術センターIWC第1工場」である。
従来型の「黒鉛無しシート」と本実施形態に係る「黒鉛積層型シート」は、遠赤外線の放射エネルギー量にどのような差が有るかを数値として明らかにする。
従来型の「黒鉛無しシート」と本実施形態に係る「黒鉛積層型シート」を、同条件下に設置した上で加温し、赤外線パワーメータ(TMM-P-10)を用いて、赤外線の放射エネルギー量を測定する。測定の対象とする赤外線の波長帯は7〜14μmとする。
室温:25.0℃〜25.5℃
温度制御センサ設定温度:50℃
電圧:200V(電圧調整器によって変圧)
抵抗値:526Ω(各測定対象のシートから抵抗値が同数のものを選択した)
図4A、図4B、図4Cおよび図4Dは、本測定に用いた装置の詳細を示す図である。図4Aに示すように、赤外線検出用カメラをカメラ設置台に設置する。このとき、赤外線検出用カメラのレンズ部をカメラ設置台の開口部に差し込んでカメラを設置する。カメラ設置台に赤外線検出用カメラを設置すると、カメラのレンズ面から検出面までの距離は、450mmとなっている。なお、カメラ設置台の内部には遠赤外線反射用のアルミニウム箔が貼付されている。
図4B〜図4Dに示すように、赤外線検出用カメラには、AC100Vで駆動する赤外線パワーメータが接続されている。この赤外線パワーメータ(TMM-P-10)は、放射される赤外線エネルギーを3種類の波長帯:F1(0.7〜3μm)、F2(3〜7μm)、F3(7〜14μm)に分割し、放射エネルギー量を単位面積(W/cm2)あたりで測定することが可能な光度計である。今回の測定では、赤外線の中でも遠赤外線波長帯における成長光線とも呼ばれる波長帯F3(7〜14μm)のみを表示するよう手動で設定した。
本実施形態に係る遠赤外線輻射シートの特性として、同じシート上であっても、場所によって2次元的な温度分布に多少のムラが発生することから、図4Bに示すように、測定開始前にサーモグラフィーカメラにて測定対象の両シートを測定し、同温度帯の箇所(直径70ミリの円状箇所)をそれぞれのシートに設定し、本測定における「測定ポイント」として定めた。また、同様の理由により発生し得る測定時の温度制御条件差をなくすため、温度制御センサを、本実施形態に係る「黒鉛積層型シート」上の一箇所に設置した。
(手順1)図4Bに示すように、従来型の「黒鉛無しシート」と本実施形態に係る「黒鉛積層型シート」を並行して設置する。そして、図4B〜図4Dに示すように、各シートの測定ポイント上に赤外線パワーメータの赤外線検出用カメラを設置する。
(手順2)赤外線パワーメータの設定を「FINDER」とし、従来型の「黒鉛無しシート」または本実施形態に係る「黒鉛積層型シート」の測定ポイントに合わせ、メータ数値をゼロになるよう手動で調整する。
(手順3)メータ数値のゼロ調整を行なった後30分ほど放置し、数値の安定を確認する。放置中に誤差が発生した場合は改めて手動にて調節する。
(手順4)温度制御センサ付きコントローラをONにして加温を開始する。同時に、赤外線パワーメータの設定を「MEASURE」に移し測定を開始する。
(手順5)温度制御センサ付きコントローラが設定温度の50℃に達し、加温が初回OFFになった後、温度制御センサ付きコントローラにより繰り返される加温ON時とOFF時に合わせ、赤外線パワーメータが表示する数値を約60分間測定する。
すべての測定結果の数値から、温度制御センサ付きコントローラの働きにより、加温が初回OFFとなった後0〜30分間、31〜60分間それぞれの平均値を用いる。単位は全て「×10−3W/cm2」である。
本実施形態に係る「黒鉛積層型シート」を、従来型の「黒鉛無しシート」と比較した場合、赤外線の波長帯7〜14μmにおける放射エネルギー量は、15%以上増えることが明らかとなった。
次に、従来型の「黒鉛無しシート」と本実施形態に係る「黒鉛積層型シート」について、遠赤外線の放射率を測定し、両者を比較した。ここで、黒鉛シートが遠赤外線を吸収する能力は、遠赤外線を放射する能力に対応していることから、“遠赤外線の放射率が高い”ということは、“遠赤外線の吸収率も高い”と言うことができる。ここでは、専門の検査機関(一般財団法人ファインセラミックスセンター)に依頼して、従来型の「黒鉛なしシート」と本実施形態に係る「黒鉛積層型シート」について、「JIS R 1693−2 2012」に準拠した「FTIRによる赤外線放射率測定」を行なった。
FTIR装置:「Perkin Elmer製のSystem2000型」を使用した。
積分球:「Labsphere製のRSA-PE-200-ID」であり、球内部は金によりコーティングされている。
積分球入射口径:φ16mmである。
測定部口径:φ24mmである。
測定領域:370〜7800cm−1(有効範囲:400〜6000cm−1)である。
積算回数:200回である。
光源:MIR
検出器:MIR−TGS
分解能:16cm−1である。
Beam splitter:optimized KBr
なお、光源から検出器までの光路には、N2ガスを充満させパージを行なった。
各シートの下にアルミホイルを敷き、室温にて反射スペクトルを測定し、得られたデータより指定された温度「25℃、40℃、60℃、80℃、100℃」の全放射率を算出した。
次の表は、各温度における全放射率の測定結果を示している。この表によれば、本実施形態に係る「黒鉛積層型シート」は、各温度における全放射率が、従来型の「黒鉛無しシート」よりも優れていることが分かる。
次に、本実施形態に係る遠赤外線輻射シートを用いたフローリング式床暖房システムについて説明する。図6Aおよび図6Bは、本実施形態に係るフローリング式床暖房システムの概略構成を示す図である。図6Aは、本実施形態に係るフローリング式床暖房システムを分解した様子を斜め方向から表したものであり、図6Bは、本実施形態に係るフローリング式床暖房システムを分解した一部の様子を図6AのPの方向から見た場合の側面図である。この床暖房システム40では、本実施形態に係る複数の遠赤外線輻射シート1が適用されている。ここでは、各遠赤外線輻射シート1は、縦が250mmで、横が900mmの大きさに形成されている。また、各遠赤外線輻射シート1は、コンパネ41aの上で、根太41bおよび捨貼コンパネ41cで囲まれた部分に、マトリックス状に配置されている。各遠赤外線輻射シートは、相互に並列に接続されており、制御部としてのコントローラ42からの電気的な制御を受けるように構成されている。コンパネ41aは、大引き41dおよび根太41eによって支持されている。図6Bに示すように、コンパネ41aの上面(遠赤外線輻射シート側の面)に、下地を介して各遠赤外線輻射シート1が設けられ、最上位面にフローリング41fが設けられている。
次に、本実施形態に係る遠赤外線輻射シートを用いた畳式床暖房システムについて説明する。図7Aは、畳式床暖房システムの概要を示す図であり、図7Bは、畳式床暖房システムの分解構成図である。ここでは、一般的な畳に代えて畳式床暖房システムを適用する一例を示す。図7Aおよび図7Bに示すように、畳式床暖房システム52では、複数の遠赤外線輻射シート1が適用されている。各遠赤外線輻射シート1のサイズや接続は、上述したフローリング式床暖房システムと同様に構成することができる。各遠赤外線輻射シート1は、断熱のための片面AL硬質ウレタンフォーム64a、64bの上に敷かれている。各遠赤外線輻射シート1は、相互に並列に接続されており、制御部としてのコントローラ53からの電気的な制御を受けるように構成されている。さらに、片面AL硬質ウレタンフォーム64a、64bの下には、高さ調整および、断熱材として、押出法ポリスチレンフォームなどの発泡式硬質断熱材63が敷かれている(なお、硬質で断熱機能があれば、これに限定されない)。この発泡式硬質断熱材63の下には、構造用合板などによるベニヤまたはコンパネによる下地62が敷かれており、これらが大引き60および根太61によって支持されている。そして、最上位面に畳部として、厚さが約15mmの薄畳65が設けられている。
図7Dは、いわゆる「施工設置型」の畳式床暖房システムであるが、一般的なフローリングに代えて畳式床暖房システムを適用する一例を示す。図7Dに示すように、大引き60および根太61によって支持される下地としてコンパネ62aに、厚さが7mmの片面AL硬質ウレタンフォーム64b、厚さが6mmのバイメタル66、厚さが0.6mmの遠赤外線輻射シート1、厚さが15mmの薄畳65を積層し、バイメタル66が局所的な厚さとなるためこれを無視すると、厚さの合計は、22〜23mmとなる。一般的なフローリングは、厚さが12mmであり、フローリングに代えて本実施形態に係る畳式床暖房システムを適用すると、厚さは7mmほど大きくなる。この構成により、従前のフローリングに代えて畳式床暖房システムを適用することが可能となる。
図8Aは、本実施形態に係るドーム型温熱機器の分解図である。このドーム型温熱機器70は、半円筒状に形成され、両端が開口するフレーム71の内面に、本実施形態に係る遠赤外線輻射シート73が設けられている。フレーム71は、中空の半円筒状であって、円柱としての軸方向の断面形状が円弧上に形成されている。すなわち、外郭として、アルミ、ステンレス、またはスチールなどで製造したメタルのフレーム71を、表装クロス(外)75bで被覆する。これが外郭ケースとなる。一方、遠赤外線輻射シート73は、フレキシブルな独立気泡断熱材72に貼着され、表装クロス(内)75aによって被覆されている。これが輻射側(内側)の遠赤外線輻射ユニットとなる。上記のような外郭ケースの内側に、遠赤外線輻射ユニットを嵌め込み、一体化することで、ドーム型温熱機器が完成し、ドーム内側から遠赤外線が輻射される。なお、遠赤外線輻射シート73にはコントローラへ接続するためのケーブル74が設けられている。
10 熱拡散型混抄紙
11 プリプレグ
12 熱拡散シート
20 発熱型混抄紙
21 電極
22 プリプレグ
23a、23b PETフィルム
40 床暖房システム(フローリング式)
41a コンパネ
41b 根太
41c 捨貼コンパネ
41d 大引き
41e 根太
41f フローリング
42 コントローラ
43 サーミスタ
44 サーモスタット
50 硬質ウレタンフォーム
51 アルミ箔
52 床暖房システム(畳式)
53 コントローラ
60 大引き
61 根太
62 下地(構造用合板など)
62a コンパネ
63 発泡式硬質断熱材
64a、64b 片面AL硬質ウレタンフォーム
65 薄畳
66 バイメタル
70 ドーム型温熱機器
71 フレーム
72 独立気泡断熱材
73 遠赤外線輻射シート
73a 発熱型混抄紙
73b 電極
73c 有機物
73d 温度センサ
73e バイメタル式サーモスタット
74 ケーブル
75a 表装クロス(内)
75b 表装クロス(外)
76 コントローラ
76a コネクタ
Claims (4)
- 平面状に形成され、遠赤外線を輻射する遠赤外線輻射シートであって、
基本材および炭素繊維を混抄して形成された発熱型混抄紙と、
前記発熱型混抄紙に設けられた電極と、
炭素繊維を含む基本材に、黒鉛を圧縮製紙することで作成され、遠赤外線を吸収して放射する機能を有する熱拡散型混抄紙と、
前記発熱型混抄紙および前記熱拡散型混抄紙に積層された有機化合物層と、を備え、
前記熱拡散型混抄紙は、前記発熱型混抄紙に積層され、
前記発熱型混抄紙は、前記電極に通電することによって遠赤外線を輻射し、
室温における分光放射率スペクトルが、6μm〜25μmの波長帯で90%から95%の放射率を安定的に示すことを特徴とする遠赤外線輻射シート。 - 前記発熱型混抄紙および前記熱拡散型混抄紙は、複数の前記有機化合物層でそれぞれ挟持されるようにパッキングされ、前記発熱型混抄紙および前記熱拡散型混抄紙は、相互に絶縁されていることを特徴とする請求項1記載の遠赤外線輻射シート。
- 遠赤外線を用いる床暖房システムであって、
基本材および炭素繊維を混抄して形成された発熱型混抄紙と、
前記発熱型混抄紙に設けられた電極と、
炭素繊維を含む基本材に、黒鉛を圧縮製紙することで作成され、遠赤外線を吸収して放射する機能を有する熱拡散型混抄紙と、
前記発熱型混抄紙および前記熱拡散型混抄紙に積層された有機化合物層と、
温度を検知して前記発熱型混抄紙への通電または非通電を切り替えるサーモスタットと、
温度を検知するセンサと、
前記センサにより検知した温度に応じて前記発熱型混抄紙への通電制御を行なう制御部と、を備え、
前記熱拡散型混抄紙は、前記発熱型混抄紙に積層され、
前記発熱型混抄紙は、前記制御部が、前記電極に通電することによって遠赤外線を輻射し、
室温における分光放射率スペクトルが、6μm〜25μmの波長帯で90%から95%の放射率を安定的に示すことを特徴とする床暖房システム。 - 遠赤外線を輻射するドーム型温熱機器であって、
半円筒状に形成され、両端が開口するフレームと、
前記フレームの内面に設けられた請求項1または請求項2記載の遠赤外線輻射シートと、
前記フレームおよび前記遠赤外線輻射シートを被覆するカバー部と、を備えることを特徴とするドーム型温熱機器。
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