JP7264707B2 - 輻射ヒータ - Google Patents

Description

本発明は、輻射熱によって加熱対象を暖める輻射ヒータに係り、特に、熱効率に優れたものに関する。

従来より、輻射ヒータとしては種々のものが知られており、例えば、ハロゲンランプヒータ、セラミックヒータ、カーボンヒータ、温水配管などから放射される輻射熱によって、加熱対象が暖められている。関連する技術として、例えば、特許文献１等が挙げられる。また、参考技術として特許文献２が挙げられる。

特開２００５－２１２５５６公報：デンソー 特許第６３２０９３５号公報：クラベ

昨今では、この輻射ヒータを人体近くで使用することや、種々の機器に貼り付けて使用することも検討されている。この場合、感電を防止することは勿論であるが、使用者が触れることによる火傷を防止することや、他の機器への熱影響を最小限とすることも課題となってくる。そのため、このような輻射ヒータの内部温度及び表面温度は百数十℃程度に止める必要がある。一方で、放射される熱量は輻射面の温度の４乗に比例することから、輻射ヒータの輻射面の温度は、なるべく高くしなければ加熱対象を十分に加熱することはできない。また、省エネルギー化が叫ばれる昨今、最小限の電力で最大限の熱効率を得ることも求められる。

従来の輻射ヒータは、輻射面に使用される材料の熱伝導率が良いものであるため、輻射面から空気に熱が伝導し、その空気が対流等により移動してしまうことによって、輻射面の熱が奪われてしまうという問題があった。この点は特に百数十℃程度の比較的低い温度領域では大きな問題となり、輻射面の温度が低下して、放射熱量が減少してしまうこととなっていた。

本発明はこのような従来技術の問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、熱効率に優れた輻射ヒータを提供することにある。

上記目的を達成するべく、本発明による輻射ヒータは、輻射面材と、ヒータ素子を有する輻射ヒータであって、上記輻射面材と上記ヒータ素子が一体化しており、上記輻射面材が、耐炎化繊維または炭素繊維の布体からなるものである。
また、断熱材を有し、上記ヒータ素子が、上記輻射面材と上記断熱材とによって挟持されていることが考えられる。
また、上記断熱材の表面に金属層が形成されており、上記金属層が上記ヒータ素子に接していることが考えられる。
また、上記ヒータ素子がコード状ヒータであり、蛇行形状に配設されてことが考えられる。

本発明によれば、輻射面が耐炎化繊維または炭素繊維の布体からなることから、繊維間に空気を保持することになる。そのため、周辺空気に熱を奪われにくくなり、放射熱量の低下がなく、熱効率に優れたものとなる。また、耐炎化繊維または炭素繊維は黒色であり放射率が高いため、熱効率に優れたものとなる。

本発明による輻射ヒータの構成を示す一部切欠平面図である。 本発明の実施の形態１による輻射ヒータの要部を拡大して模式的に示す断面図である。 本発明で使用されるヒータ製造装置の構成を示す図である。 本発明の輻射ヒータにおいて、ヒータ素子を所定のパターン形状に配設する様子を示す一部斜視図である。 本発明で使用されるヒータ素子の一例を示す一部切欠側面図である。 実施の形態及び比較の形態による温度測定の結果を示すグラフである。 本発明の他の形態による輻射ヒータの要部を拡大して模式的に示す断面図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。

まず、図１，図２を参照して実施の形態１を説明する。この実施の形態１におけるヒータ素子１の構成から説明する。実施の形態１では、ヒータ素子１としてコード状ヒータを用いており、図５に示すような構成になっている。まず、外径約０．２ｍｍの芳香族ポリアミド繊維束からなる芯線３があり、該芯線３の外周には、素線径０．０８ｍｍの硬質錫入り銅合金線からなる５本の導体素線５ａを引き揃えて構成されたものがピッチ約１．０ｍｍで螺旋状に巻装されている。導体素線５ａには、アルキドシリコーンワニス（アルキド：シリコーン＝５０：５０）を塗布し乾燥して形成したシリコーンを含有する絶縁被膜５ｂが、厚さ約５μｍで形成されている。このように構成されたヒータ素子１の外径は、０．３８ｍｍとなっている。また、ヒータ素子１の外周には、フッ素樹脂組成物が０．１３ｍｍの厚さで押出被覆されて被覆部９が形成されている。被覆部９まで含めたヒータ素子１の仕上がり外径は、０．６４ｍｍである。

上記構成をなすヒータ素子１は、断熱材１１に接着・固定されていてもよい。実施の形態１における断熱材１１は、縦２４０ｍｍ、横３２０ｍｍ、厚さ５ｍｍの面状の形状となっており、見かけ密度４０ｋｇ／ｍ^３、（ＪＩＳ Ｋ７２２２準拠）、硬さ２２０Ｎ（ＪＩＳ Ｋ６４００準拠）の発泡シリコーンゴムからなる。また、この断熱材の一方の面には、アルミニウム等による金属層（図示しない）が形成されている。このような断熱材１１は、型抜き等の公知の手法により所望の形状とされる。

次に、上記ヒータ素子１を断熱材１１の間に所定のパターン形状で配設して接着・固定する構成について説明する。図３はヒータ素子１が配設された基材を加圧するためのヒータ製造装置１３の構成を示す図である。まず、ヒータパターン治具１５があり、このヒータパターン治具１５上には複数個の係り止め機構１７が設けられている。上記係り止め機構１７は、図４に示すように、ピン１９を備えていて、このピン１９はホットプレス冶具１５に穿孔された孔２１内に下方より差し込まれている。このピン１９の上部には係り止め部材２３が軸方向に移動可能に取り付けられていて、コイルスプリング２５によって常時上方に付勢されている。そして、図４中仮想線で示すように、これら複数個の係り止め機構１７の係り止め部材２３にヒータ素子１を引っ掛けながら、ヒータ素子１を所定のパターン形状にて配設することになる。

図３に戻って、上記複数個の係り止め機構１７の上方にはプレス板２７が昇降可能に配置されている。すなわち、ヒータ素子１を複数個の係り止め機構１７の係り止め部材２３に引っ掛けながら所定のパターン形状にて配設し、その上に金属層をヒータ素子１側として断熱材１１を置く。この際、断熱材の金属層におけるヒータ素子１の配設部分には、断熱材表面化に接着テープが貼付されている。その状態で上記プレス板２７を降下させてヒータ素子１及び断熱材１１に、加圧を施すものである。尚、プレス板２７の降下による加圧時には複数個の係り止め機構１７の係り止め部材２３はコイルスプリング２５の付勢力に抗して下方に移動するものである。プレス熱板２７の降下にあたっては、少なくとも、断熱材１１の圧縮量がヒータ素子１の外径よりも大きくなるように設計することが好ましい。それによって、ヒータ素子１と断熱材１１が接着・固定されることになる。

次いで、断熱材１１におけるヒータ素子１が配設された面に、輻射面材３１が貼り付けられる。輻射面材３１は、特殊アクリル繊維を空気中で２００～３００℃で焼成炭化してなる耐炎化繊維の不織布からなり、厚さ０．６ｍｍ、重さ５０ｇ／ｍ^２のものである。

断熱材１１と輻射面材３１を貼り付ける際、断熱材１１、輻射面材３１またはこれら両方に接着層（図示しない）を形成してもよい。接着層は、粘着テープや接着剤等を使用して形成することが考えられる。また、接着層の形成は、予め離型シート上に接着剤のみからなる接着層を形成し、該接着層を上記離型シートから上記断熱材１１の表面に転写することが好ましい。これにより、接着剤は断熱材１１や輻射面材３１の内部には侵入せず、断熱材１１や輻射面材３１の表面のみに接着層が形成されることになる。

上記作業を行うことにより、図１及び図２に示すような輻射ヒータ５１を得ることができる。なお、図２は図１の要部を拡大して示す断面図である。また、図１においては、輻射面材３１の一部を切り欠いて表示しているが、実際には、輻射面材３１が断熱材１１の全面を覆うものとなっている。

断熱材１１にヒータ素子１を配設する際、プレス板２７を加熱しておき、加熱加圧することも考えられる。これにより、ヒータ素子１が配設される箇所について、加熱された状態でより強く加圧されることになる。そのため、図７に示すように、断熱材１１におけるヒータ素子１が配設される箇所は、ヒータ素子１の形状に沿うような形状で、他の箇所よりも高密度化され且つ薄くなる。これにより、輻射ヒータ５１のヒータ素子１が配設される面は、ヒータ素子１が配設される箇所においても凹凸がなく、平坦な形状とすることができる。また、このようにして得られた輻射ヒータ５１は、断熱材１１が圧縮され高密度になっているため、機械的強度を向上させることができる。

上記のようにして得られた輻射ヒータ５１について、ヒータ素子１の両端は引き出されてリード線（図示しない）に接続され、このリード線により、ヒータ素子１、温度制御装置（図示しない）、及び、コネクタ（図示しない）が接続されている。温度制御装置はヒータ素子１上に配置され、ヒータ素子１の発熱によって輻射ヒータの温度制御を行うこととなる。そして、上記したコネクタを介して電源（図示しない）に接続されることになる。

断熱材１１には、他部材と接着するための接着層（図示しない）が形成されてもよい。接着層の形成は、予め離型シート上に接着剤のみからなる接着層を形成し、該接着層を上記離型シートから上記断熱材１１の表面に転写することが好ましい。これにより、接着剤は断熱材１１の内部には侵入せず、断熱材１１の表面のみに接着層が形成されることになる。

上記のようにして得られた実施の形態１による輻射ヒータ５１について、以下に示す測定方法で温度測定を行った。室温を－２０℃とした環境において、縦１００ｍｍ、横１００ｍｍ、厚さ５ｍｍの黒色の発泡樹脂ボードの台座の表面中心部に熱電対を設置し、この熱電対と対向するように所定距離を離して輻射ヒータ５１を配置した。その状態で、輻射ヒータ５１の出力が２００Ｗとなるように通電し、３０ｍｉｎ保持して、この間の温度変化を測定した。なお、熱電対と輻射ヒータの距離は、１００ｍｍ，２００ｍｍ，３００ｍｍの３種類とした。実施の形態１に対し、輻射面材として黒色のアルミニウム箔を使用したものを比較の形態１とし、上記同様に温度測定を行った。これらの測定結果を図６に示す。

図６のグラフに示すように、立ち上がりの昇温においても実施の形態１の方が比較の形態１より優れ、３０ｍｉｎ後の温度においても実施の形態１の方が比較の形態１よりも温度が高くなっていた。これは、輻射ヒータと熱電対の距離が１００ｍｍ，２００ｍｍ，３００ｍｍの何れであっても同様であった。即ち、輻射面材として耐炎化繊維を使用した実施の形態１は、輻射の熱効率に優れていることが確認された。

尚、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではない。まず、ヒータ素子１の構成としては、例えば、上記実施の形態のようなコード状ヒータだけでなく、他の種々の形態のコード状ヒータも使用できる。例えば、屈曲性や引張強度を考慮した場合には、上記実施の形態で使用した芯線３は有効であるが、芯線３を使用せず、複数本の導体素線を引き揃えるか或いは撚り合わせたものとすることも考えられる。また、昇温速度を高める場合は、導体素線５ａとしてニッケル銅合金線を使用することも考えられる。また、上記実施の形態では導体素線５ａに絶縁皮膜５ｂが塗布されているが、絶縁被膜５ｂを塗布しないことも考えられる。また、上記した特許文献２などを参考に、種々のコード状ヒータを選択することができる。また、コード状ヒータに限られず、面状ヒータ、管状ヒータ、フィルムヒータ、ランプヒータ、カーボンヒータ、温水配管など、種々のヒータ素子を使用することができる。

本発明は、ヒータ素子１を輻射面材３１に配設することもでき、その場合、断熱材１１を使用しない形態も考えられる。

断熱材１１を使用する場合、上記実施の形態１に記載された発泡シリコーンゴムに限定されるものではなく、例えば、他の材質からなる発泡樹脂シート、発泡ゴムシートなど種々の高分子発泡体も考えられる。また、目的に応じた断熱性等の特性に応じて、気泡の状態を独立気泡または連続気泡にすることや、発泡率、硬度、使用材料を選定することになる。材料としては、ポリウレタン樹脂、クロロプレンゴム、シリコーン樹脂、シリコーンゴム、ネオプレンゴム、ジエン系ゴム、ニトリルゴム、天然ゴム、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、塩化ビニル樹脂、エチレン－酢酸ビニル共重合体、メラミン樹脂など、種々の樹脂、ゴム、熱可塑性エラストマーなどから選択すれば良い。また、断熱材１１として、不織布や織布を使用することも考えられる。また、複数の断熱材１１を積層する等して使用することもでき、この場合は、それぞれの断熱材１１で異なる材料や異なる気孔率等のものを使用しても良い。

断熱材１１のヒータ素子と接する側の面に金属層を形成することで、ヒータ素子の熱が輻射ヒータ全面に均一に伝熱されることになるため好ましい。金属層の材料としては、例えば、アルミニウム、銅、銀、金など熱伝導性の良いものが好ましい。金属層の形成方法については、例えば、蒸着、吹き付け、接着剤や接着テープによる箔の貼付せなど、種々の方法によって形成される。

上記の実施の形態では、断熱材１１にヒータ素子１を配設したが、輻射面材３１にヒータ素子１を配設しても良い。また、例えば、ヒータ素子１の外周に接着層を形成し、これによって断熱材１１及び／または輻射面材３１に接着する態様、表面に接着剤等を形成した断熱材１１及び輻射面材３１によってヒータ素子１を挟持・固定する態様、ヒータ素子１を断熱材１１または輻射面材３１に縫製によって固定する態様、断熱材１１側を溶融させてヒータ素子１１を融着・固定する態様、ヒータ素子１の配設箇所に接着剤を塗布等によって形成して、ヒータ素子１を断熱材１１または輻射面材３１に接着・固定する態様等が考えられる。

輻射面材３１は、耐炎化繊維または炭素繊維によって構成される。耐炎化繊維とは、一般には有機系繊維（ポリアクリロニトリル繊維、レーヨン、ピッチ系繊維等）を空気中または酸化性雰囲気中で２００～３５０℃程度で熱処理して得られる繊維をいい、酸化繊維、不融繊維とも称される。炭素繊維を製造する最初の工程である耐炎化工程で得られる繊維として知られており、この耐炎化繊維を不活性雰囲気中で１０００～１５００℃で加熱することにより、炭素繊維を得ることができる。炭素繊維としては、ポリアクリルニトリル繊維を原料とするＰＡＮ系の炭素繊維、ピッチを原料とするピッチ系の炭素繊維の何れを使用することができ、また、ＰＡＮ系の炭素繊維を不活性雰囲気中で２１００～２５００℃で加熱して得られる黒鉛繊維も、炭素繊維に含まれるものとして使用することができる。また、耐炎化繊維と炭素繊維を混合したり、場合によっては、他の繊維を混合したりすることも考えられる。耐炎化繊維と炭素繊維はともに黒色であり、放射率が高いことから、熱効率の良い輻射面材とすることができる。

このような耐炎化繊維または炭素繊維について、編物、織布、不織布とした布体を輻射面材として使用することができる。このような布体は、繊維間に空気を保持することになる。そのため、周辺空気の移動によって熱を奪われにくくなり、放射熱量の低下がなく、熱効率に優れた輻射ヒータを得ることができる。編物としては、平編み、ゴム編み、パール編み、両面編み、鹿の子編み、ジャカード編み、ラッシェル編み、トリコット編み等の各種手法によって形成されたものが考えられる。織布としては、平織、綾織、朱子織等の各種手法によって形成されたものが考えられる。不織布としては、湿式法、サーマルボンド法、ケミカルボンド法、ニードルパンチ法、スパンレース法等の各種手法によって形成されたものが考えられる。また、布体の繊維糸の密度（目付け）については、大さすぎると、十分に空気を保持することができず、周辺空気に熱を奪われやすい傾向となる。一方、小さすぎると、断熱され過ぎてヒータ素子の熱が輻射面材まで伝わるまでの時間が長くなってしまい、立上り時の昇温特性が低下することとなる。また、輻射面材が布体であることで比熱が小さくなるため、ヒータ素子の温度が百数十℃程度なら、短時間の接触のみでは火傷までは至らずにすむことになる。

また、輻射面材には保護部材が設置されても良い。この保護部材を設置することにより、使用者が輻射面材に直接触れてしまうことを防止できる。保護部材は種々の形態のものが考えられる。例えば、比熱が小さく断熱性が高い材料を用いて輻射を妨げないように所定の隙間を設けて形成することが考えられるが、赤外線透過フィルムのような、赤外線を透過する材料を用いた場合は輻射面材の全面を覆うことも考えられる。また、保護部材は、輻射面材から所定の間隔を離して設置されることも考えられる。

また、接着層としては、例えば、高分子アクリル系粘着剤からなりテープ基材を使用しない接着層や、ポリプロピレンフィルムの両面に接着剤を形成してなる接着層など種々のもの使用できる。それ単独でＦＭＶＳＳ Ｎｏ．３０２自動車内装材料の燃焼試験に合格するような難燃性を有するものであれば、ヒータユニットの難燃性が向上し好ましい。また、ヒータユニットの伸縮性を損なわないために、粘着剤のみからなる接着層であることが好ましい。

以上詳述したように本発明によれば、熱効率に優れた輻射ヒータを得ることができる。このような輻射ヒータは、例えば、家庭用暖房器具、自動車内装用暖房装置、産業用加熱装置、各種除雪解氷装置、防曇装置、加熱調理器具、輻射熱を使用した温熱治療機など、輻射熱源として好適に使用することができる。

１ ヒータ素子
１１ 断熱材
３１ 輻射面材
５１ 輻射ヒータ

Claims (6)

1. 輻射面材と、ヒータ素子を有する輻射ヒータであって、
   上記輻射面材と上記ヒータ素子が一体化しており、
   上記輻射面材が、耐炎化繊維の布体からなる輻射ヒータ。
2. 請求項１記載の輻射ヒータであって、
   断熱材を有し、上記ヒータ素子が、上記輻射面材と上記断熱材とによって挟持されている輻射ヒータ。
3. 請求項２記載の輻射ヒータであって、
   上記断熱材が、発泡シリコーンゴムからなる輻射ヒータ。
4. 請求項２記載の輻射ヒータであって、
   上記断熱材の表面に金属層が形成されており、上記金属層が上記ヒータ素子に接している輻射ヒータ。
5. 請求項４記載の輻射ヒータであって、
   上記金属層が金属の蒸着層または金属の吹き付け層である輻射ヒータ。
6. 請求項１～５何れか記載の輻射ヒータであって、
   上記ヒータ素子がコード状ヒータであり、蛇行形状に配設されている面状の輻射ヒータ。

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