JP7300236B1 - 面状ヒータ - Google Patents
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Abstract
Description
[構造の概要]
第1の実施形態は、縫合型の面状ヒータに関する。図1Aは、本実施形態に係る面状ヒータ10の構成例の概略を示す模式的な平面図である。図1Bは、図1Aに示すIB-IB線に沿った面状ヒータ10の断面の概略を示す模式的な断面図である。
面状ヒータ10の各部の詳細について説明する。
断熱基材1の材料としては、例えば、ウレタンフォーム、不織布、フェルト等、さまざまな材料が用いられ得る。断熱基材1とアルミニウムコート基材3との接着について、平面度が高い方が接着後の皺の発生が抑制されるので、断熱基材1の材料として、各材料とも表面の平滑性を重視した選択が好ましい。
アルミニウムコート基材3は、柔軟で丈夫な生地にアルミニウム薄膜が付与されたものである。生地としては、織布、不織布、高分子フィルム等が用いられ得る。アルミニウム薄膜の付与は、例えば、真空蒸着、スパッタリング、プラズマ溶射等による。真空蒸着によれば、アルミニウムは原子レベルで堆積するので、形成されるアルミニウム薄膜は、緻密となり、熱伝導の点から好ましい。スパッタリングやプラズマ溶射は積層速度が速いので、形成されるアルミニウム薄膜は、微細ではあるが粒状の堆積となる。熱伝導の点では真空蒸着が好ましい。
本実施形態の黒色熱融着層4は、ポリオレフィン系樹脂とカーボン粒子と若干の添加剤とが混練され、二軸延伸装置によりフィルム状に成形されたものである。カーボン粒子に代えて、又はカーボン粒子に加えて、セラミック粉末が用いられてもよい。黒色熱融着層4は、熱融着機能を有する。黒色熱融着層4は、アルミニウムコート基材3のアルミニウム薄膜の剥離を防止し、面状ヒータ10に安全性を与える。また、黒色熱融着層4は、面状ヒータ10に遠赤外線放射機能を与える。この遠赤外線放射機能によって、面状ヒータ10は、熱伝導によって加熱対象物を加熱するほか、遠赤外線という熱線によって加熱対象物を加熱することができる。その結果、面状ヒータ10の熱効率が向上し、省エネルギー効果が得られる。
図1Cは、コード状発熱体5の一例の構造を模式的に示す図であり、絶縁被覆層53の一部を除去し、撚り素線52の一部をほどいた状態を示す図である。図1Cに示すように、コード状発熱体5は、巻芯51に、撚り素線52が3~6本引き揃えられて適切なピッチでらせん状に横巻きされ、その周囲に電気絶縁性の絶縁被覆層53が形成された構造を有する。
本実施形態の面状ヒータ10は、安全性、即暖性、均熱性、省エネルギー性に優れる。
(1)ヒータ線保持用基材11に含まれる黒色熱融着層4は、コード状発熱体5を縫合する場合に何の支障も生じさせず、また、コード状発熱体5をヒータ線保持用基材11に接着する場合には熱融着材として機能する。したがって、黒色熱融着層4は、面状ヒータ10の設計の自由度を高めることができる。
(2)繰り返し負荷に対して、黒色熱融着層4は、アルミニウムコート基材3のアルミニウム薄膜のちぎれや剥がれを防止する。例えば面状ヒータ10がシートヒータとして用いられる場合には繰返し着座ストレスに対して、黒色熱融着層4は、アルミニウムコート基材3のアルミニウム薄膜のちぎれや剥がれを防止する。したがって、黒色熱融着層4は、例えば人に対する健康被害、電気的障害等の防止に寄与する。
(3)黒色熱融着層4による遠赤外線放射により、発熱エネルギーが有効活用されて省エネルギー効果が発揮される。例えば面状ヒータ10がシートヒータに用いられる場合には、一般に動作温度は40~50℃とされるが、この温度帯でカーボンが加熱されると、遠赤外線が効率よく放射される。その結果、人体であまり感じない波長帯の放射が少なく、人体の加熱に有効な波長帯の放射が多くなる。
(4)黒色熱融着層4は、長年にわたり使用されて信頼性が確立されたコード状発熱体と共に用いられ得る。その結果、高いコストパフォーマンスが得られる。
第2の実施形態は、接着型の面状ヒータに関する。第2の実施形態について、第1の実施形態との相違点について説明し、同一の部分については、同一の符号を付してその説明を省略する。図2Aは、本実施形態に係る面状ヒータ20の構成例の概略を示す模式的な平面図である。図2Bは、図2Aに示すIIB-IIB線に沿った面状ヒータ20の断面の概略を示す模式的な断面図である。
第3の実施形態は、被覆型の面状ヒータに関する。第3の実施形態について、第2の実施形態との相違点について説明し、同一の部分については、同一の符号を付してその説明を省略する。図3Aは、本実施形態に係る面状ヒータ30の構成例の概略を示す模式的な平面図である。図3Bは、図3Aに示すIIIB-IIIB線に沿った面状ヒータ30の断面の概略を示す模式的な断面図である。
〈共通部分〉
いずれの実施例においても、断熱基材1には、MVSS302の難燃規格適合の、密度約40Kg/m2、硬度98N以上の半硬質ポリウレタンフォームを用いた。断熱基材1の厚さは、3.5mmとした。アルミニウムコート基材3には、アイロン台カバーとして市販されている片面がアルミニウム蒸着コートされた平織りの綿布を使用した。断熱基材1とアルミニウムコート基材3とを接着して接着剤層2となる接着剤には、クロロプレンゴム系溶剤形接着剤GS1Z(コニシ社製)を使用した。この接着剤を断熱基材1にスプレー塗布し風乾してから、その上にアルミニウムコート基材3を被せ、60℃、5分のホットプレスで接着剤を接着硬化させた。
実施例1として、図1Bに示した第1の実施形態に係る縫合型の面状ヒータ10を作製し、実験を行った。縫合型の面状ヒータ10を次のように作製した。
実施例2として、図1Bに示した第1の実施形態に係る縫合型の面状ヒータ10を作製し、実験を行った。実施例2が実施例1と異なる点は、黒色熱融着層4の配合が、表1の配合1に代えて表1の配合2とした点のみである。
実施例3として、図2Bに示した第2の実施形態に係る接着型の面状ヒータ20を作製し、実験を行った。接着型の面状ヒータ20を次のように作製した。
実施例4として、図2Bに示した第2の実施形態に係る接着型の面状ヒータ20を作製し、実験を行った。実施例4が実施例3と異なる点は、黒色熱融着層4の厚さを0.35mmとした点のみである。
実施例5として、図3Bに示した第3の実施形態に係る被覆型の面状ヒータ30を作製し、実験を行った。被覆型の面状ヒータ30を次のように作製した。
比較例1として、断熱基材1にコード状発熱体5を敷線すると同時に上糸6aと下糸6bとで縫合した面状ヒータを作製した。この面状ヒータは、第1の実施形態に係る縫合型の面状ヒータ10において、接着剤層2,アルミニウムコート基材3、黒色熱融着層4が無いものに相当する。比較例1は、シートヒータに用いられる面状ヒータの構造として従来から知られているものである。
比較例2として、断熱基材1、接着剤層2及びアルミニウムコート基材3を有するヒータ線保持用基材に、コード状発熱体5を敷線すると同時に上糸6aと下糸6bとで縫合した面状ヒータを作製した。この面状ヒータは、第1の実施形態に係る縫合型の面状ヒータ10において、黒色熱融着層4が無いものに相当する。比較例2は、従来から知られている面状ヒータに、アルミニウムコート基材3を追加した構造を有するものである。
実施例1~5及び比較例1、2の各面状ヒータの試料を、自動車の断熱・弾性シートの上に配置し、シートの表皮は被せず、直接面状ヒータ表面の温度特性を測定した。測定は、室温25℃の無風環境で行った。測定には、中心部に熱電対が接着された50×50mm、厚さ1mmの銅の集熱板を用いた。この集熱板を、面状ヒータの中央部に置き、銅集熱板より大きめの断熱材を介して1Kgの重りで面状ヒータに密着させた。熱電対は、汎用の温度ロガーに接続し、1秒ごとの温度変化を記録した。
温度調節器を介さずに直接的に面状ヒータを直流電源に接続した。電源のスイッチをONにして温度上昇を温度ロガーで記録した。記録に基づいて、面状ヒータの表面温度が各々40℃、及び50℃に達するまでの時間を測定した。
面状ヒータを、温度制御器を介して直流電源に接続した。温度制御器は、温度制御用熱電対で計測される温度が40℃となったときに、電力供給をOFFにするように設定した。電源のスイッチをONにして温度上昇を温度ロガーに記録した。記録に基づいて、40℃を超えた最初のオーバー・シュートの最高温度を測定し、40℃との差分をオーバー・シュート温度として決定した。
面状ヒータを、ON-OFFタイプの温度制御器を介して直流電源に接続し、スイッチ
をONにして自動温度制御状態にして消費電力を測定した。このとき、温度制御器のOFF点設定温度を40℃、ON点設定温度を39.5℃とし、ヒステリシス幅0.5℃を設けた。消費電力は、積算電力計を用いて測定した。測定時間は、電源スイッチONの瞬間から30分間とした。積算電力の平均値を平均消費電力として決定した。
面状ヒータ単体を、25℃無風の空中に吊るし、温度制御器を介して直流電源に接続した。温度制御器の設定温度を40℃とし、自動温度制御状態にした。面状ヒータの表面から15cm離れた空中に、面状ヒータが隠れる大きさの黒色の布を張った。面状ヒータの中央部に相当する黒色布の表面の温度を、遠赤外線サーモグラフィーを用いて測定した。1分間隔で10分間測定し、その平均温度を遠赤外線加熱として決定した。
自動車の断熱・弾性シートと表皮カバーとの間に面状ヒータを挟んで配置し、面状ヒータにDC13.5Vを印加して被試験体とした。人体模倣ロボットを用いて、乗車と着座のためのシートの回転・スライド、40Kgの荷重印加、上下振動20回の後、離座と降車のための逆動作を行い、これを1サイクルとした。このサイクルを1万回繰り返す寿命試験を行った。この試験後、アルミニウムコート基材3の破壊によって生じたアルミニウムの微小片が、黒色熱融着層4又はポリエチレンの熱融着層7から飛び出していないかを目視でチェックした。また、黒色熱融着層4の破壊によってカーボンを含む微小片が飛散していないかを目視でチェックした。
自動車の断熱・弾性シートと表皮カバーとの間に面状ヒータを挟んで配置し、面状ヒータに直流電源を接続し、しかしながら、スイッチOFFの非通電状態とした。表皮カバーの表面を約30cm四方にわたりポリエステルの布で強く10回擦った後に、直ちに静電気テスターを用いて、25mm離れた位置での帯電圧を測定した。
上述の各種測定を行い、その結果を表3に示した。
実施例1~5は、アルミニウムコート基材3を有する熱的に類似の構造であり、これらの間では、立ち上がり時間の差は僅かであった。アルミニウムコート基材3がなくヒータ線保持用基材が断熱基材1のみである比較例1と、40℃立ち上がり時間を比べると、実施例1~5は、2倍以上の即暖性を有していることが明らかになった。また、ヒータ線保持用基材が断熱基材1、接着剤層2及びアルミニウムコート基材3を有する比較例2でも、実施例1~5と同様の顕著な即暖性が認められた。このように、アルミニウムコート基材3が配置されていることは、即暖性に大きな効果を発揮することが確認できた。
熱的に類似する構造を有する実施例1~5では、オーバー・シュート温度の大きさに、それほどの差はなかった。実施例1~5と比較例1とのオーバー・シュート温度を比較すると、実施例1~5のオーバー・シュート温度は、比較例1のオーバー・シュート温度の1/2~1/4と小さかった。ヒータ線保持用基材がアルミニウムコート基材3を有する比較例2と比較例1とのオーバー・シュート温度を比較すると、比較例2のオーバー・シュート温度は、比較例1のオーバー・シュート温度の1/5と非常に小さかった。これらの結果から、オーバー・シュートの低減は、アルミニウムコート基材3の早い熱応答によることが明確になった。
実施例1~5では、比較例1と比較して平均消費電力が低く抑えられた。特に、実施例1~3では、比較例1と比較して、15%以上の省電力を実現できた。実施例5の平均消費電力が、実施例1~3の平均消費電力よりもやや大きいのは、面状ヒータの最外層が黒色熱融着層4で覆われている構造のため、保温性がよく、熱応答がやや遅いことを示していると考えられる。このことは、アルミニウムコート基材3が露出している比較例2の平均消費電力が比較的低く、これは熱放散がよくて熱応答が早いという特徴を示していることからも理解できる。黒色熱融着層4の厚さが異なる実施例3と実施例4とを比較すると、黒色熱融着層4が比較的厚い実施例4では、平均消費電力がやや大きかった。黒色熱融着層4は厚くしすぎない方がよいこと、例えば黒色熱融着層4は0.35mm未満が好ましいことが明らかになった。実施形態に係る面状ヒータが省電力を実現できることが明らかになった。
黒色熱融着層4を有する面状ヒータに係る実施例1~5では、測定用黒色布の表面温度は、概ね3.5℃~5℃の温度上昇が認められた。この温度上昇は、遠赤外線放射による温度上昇を含む。これに対して黒色熱融着層4がない面状ヒータに係る比較例1、2では、測定用黒色布の表面温度の上昇は小さかった。黒色熱融着層4が比較的厚い実施例4、及び、黒色熱融着層4が最外層になっている実施例5において、実施例1~3と比較して、測定用黒色布の表面温度はやや高くなった。
アルミニウムコート基材3の表面が黒色熱融着層4や熱融着層7により保護されていない比較例2では、アルミニウム薄膜の剥離が起こり、アルミニウムの微小片が飛散し、綿布の生地が露出している部分が数か所認められた。これに対し、実施例1~5では、アルミニウムコート基材3が黒色熱融着層4又は熱融着層7で被覆されているので、この被覆層を破ってアルミニウムの微小片が出現することはなかった。
アルミニウムコート基材3及び黒色熱融着層4を有しない比較例1の面状ヒータにおいて測定された帯電圧は、比較的高かった。これに対して、実施例1~5の面状ヒータにおいて測定された帯電圧は、比較例1の1/2以下に抑えられた。すなわち、黒色熱融着層4が帯電防止体であることが明確になった。
Claims (13)
- 断熱基材と、
前記断熱基材に設けられた金属コート基材と、
前記断熱基材よりも前記金属コート基材側に設けられたコード状発熱体と、
前記コード状発熱体と隣り合って設けられた黒色熱融着層と
を備え、
前記黒色熱融着層は、前記金属コート基材と前記コード状発熱体とを覆うように設けられている、
面状ヒータ。 - 前記金属コート基材と前記コード状発熱体との間に設けられた第1熱融着層と、
前記コード状発熱体の外周に設けられた第2熱融着層と
をさらに備え、
前記金属コート基材と前記第1熱融着層と前記第2熱融着層が設けられた前記コード状発熱体と前記黒色熱融着層とが熱融着によって固定されている、
請求項1に記載の面状ヒータ。 - 断熱基材と、
前記断熱基材に設けられた金属コート基材と、
前記断熱基材よりも前記金属コート基材側に設けられたコード状発熱体と、
前記コード状発熱体と隣り合って設けられた黒色熱融着層と
を備え、
前記黒色熱融着層は、カーボン粒子とポリオレフィン樹脂とポリオレフィン系共重合体とを含む、
面状ヒータ。 - 前記ポリオレフィン樹脂は、ポリエチレンであり、前記ポリオレフィン系共重合体は、エチレン酢酸ビニルコポリマーである、請求項3に記載の面状ヒータ。
- 前記黒色熱融着層は、前記金属コート基材と前記コード状発熱体との間に設けられている、請求項3に記載の面状ヒータ。
- 前記黒色熱融着層は、前記金属コート基材に熱融着されており、
前記黒色熱融着層の上に配置された前記コード状発熱体が、前記断熱基材、前記金属コート基材及び前記黒色熱融着層を含むヒータ線保持用基材に縫い付けられている、
請求項5に記載の面状ヒータ。 - 前記コード状発熱体の外周に設けられた熱融着層をさらに備え、
前記金属コート基材と前記黒色熱融着層と前記熱融着層が設けられた前記コード状発熱体とが熱融着によって固定されている、
請求項5に記載の面状ヒータ。 - 前記黒色熱融着層は、厚さが0.05mm~0.35mmであり、表面抵抗が105Ω/cm2~1010Ω/cm2である、請求項1乃至7の何れかに記載の面状ヒータ。
- 前記黒色熱融着層は、帯電防止体である、請求項1乃至7の何れかに記載の面状ヒータ。
- 前記金属コート基材は、表面にアルミニウムが堆積した織布若しくは不織布、又は、アルミニウムが堆積した長繊維で形成された織布である、請求項1乃至7の何れかに記載の面状ヒータ。
- 前記表面に堆積したアルミニウムの厚さは、5μm~50μmである、請求項10に記載の面状ヒータ。
- 前記断熱基材及び前記金属コート基材は、表面に金属が堆積した不織布によって一体として形成されている、請求項1乃至7の何れかに記載の面状ヒータ。
- 請求項1乃至7の何れかに記載の面状ヒータを備えるシートヒータ。
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