JP7401931B2 - ポータブル面状ヒータ、クッション、暖房器具および融雪シート - Google Patents

ポータブル面状ヒータ、クッション、暖房器具および融雪シート Download PDF

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Description

本発明は、ヒータに関し、特に、カーボンシートなどを発熱体とするポータブル型面状ヒータに関する。
従来、発熱効果の高いカーボンシートを備えた面状ヒータが知られている。カーボンシートは、輻射性能が高く、シート全体を均一に発熱しやすいため、融雪や床暖房などに使用できる。カーボンシートの構成としては、例えば、活性炭粉末を含有させた樹脂シートで構成することが可能であり(特許文献1参照)、また、カーボンファイバを混紗技術によってシート化することもできる(特許文献2参照)。
特開2008-34285号公報 特開2010-182650号公報
カーボンシートの電気抵抗値は縦横比に従うため、家屋の床暖房、屋根や道路での融雪などで使用する場合、その使用環境に要求される発熱量や、使用場所で用意されている電源などに応じて、シート形状、サイズが定められている。そのため、使用場所や電源設備などが定かでない環境下で従来の面状ヒータをそのまま適用しても、ヒータとしての機能を十分に発揮できない恐れがある。
したがって、様々な使用目的、使用環境に対応できる面状ヒータが求められる。
本発明のヒータは、様々な使用環境に適合可能であり、例えば、融雪シート、ヒータ機能付きクッション、ヒートマットなど、持ち運び可能な面状ヒータとして構成される。また、ポータブル面状ヒータを折り畳んだ状態で収納袋に収納した(一式の)暖房器具を、災害避難所用の暖房器具、あるいはキャンプなどに使用する野外用暖房器具として提供することができる。
本発明のポータブル面状ヒータは、それぞれ通電により発熱する複数のカーボンシートと、複数の発熱シートの長手方向端部と接続する電極と、複数の発熱シートを覆うカバーシートとを備える。そして、複数のカーボンシートが、複数のカーボンシートの短手方向に並び、ポータブル面状ヒータは、隣り合うカーボンシートの間で折り曲げ、あるいは折り畳み可能に構成される。ここで、「カーボンシート」は、厚みの薄いシート状でカーボンを発熱体として含む発熱シートを示し、合成樹脂シート、紙、布状に形成することができる。カバーシートは、複数のカーボンシートを、その片面あるいは両面から全体的に覆う。
カバーシートは、例えば柔軟性、可撓性があって、折り曲げ、折り畳み可能な絶縁性シート、あるいはシートよりも薄い絶縁性フィルムなどによって構成することができる。例えば、カバーシートは、複数の発熱シートの両面を覆う軟質の合成樹脂シートまたは合成樹脂フィルムで構成することが可能であり、また、複数の発熱シートの片面を覆う弾性の合成樹脂シートまたは合成樹脂フィルムで構成することが可能である。複数のカーボンシート全体に対して1つの断熱材を片面に設けてもよく、あるいは、複数のカーボンシートそれぞれに接する複数の断熱材を設けてもよい。
複数の発熱シートは、電極を介して直列接続させ、順に電流が流れるように構成することが可能である。あるいは、別々に電源供給する、すなわち別々に電流が流れるように構成することも可能である。使用する電源の構成によって、電気的な接続、電源供給の仕方を適宜採用することが可能である。例えば、複数のカーボンシートが、互いに所定間隔空けて並び、並列的に電気接続するように構成することができる。例えば、複数のカーボンシート各々が、長手方向両端部で板状または箔状電極と接続し、隣り合うカーボンシートの間で向かい合う板状電極が、フレキシブルな導線を介して接続するように構成すればよい。あるいは、複数のカーボンシート間の電気接続を、並列および直列いずれかに選択的に設定可能なように構成してもよい。
本発明の一態様である、上記ポータブル面状ヒータを融雪シートとして設置する方法は、複数のカーボンシートの片面側に設けられた断熱材が、集積された雪とは反対の外側を向くように、カバーシートを隣り合うカーボンシートの間で折り曲げ、集積された雪の上に置く。
本発明によれば、使用目的、使用環境に適応したポータブル面状ヒータを提供することができる。
第1の実施形態である面状ヒータの概略的平面図である。 面状ヒータの積層構造を示した図である。 面状ヒータの回路構成を概略的に示した図である。 面状ヒータを融雪シートとして配置した図である。 第2の実施形態における面状ヒータを備えたクッションの内部構成を示した図である。 第2の実施形態における面状ヒータの回路構成を概略的に示した図である。 第3の実施形態であるポータブル面状ヒータの概略的断面図である。 第3の実施形態におけるポータブル面状ヒータの回路構成を概略的に示した図である。
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
図1は、第1の実施形態であるポータブル面状ヒータの概略的平面図である。
ポータブル面状ヒータ10は、持ち運び自由で任意の場所に設置および取り外し可能なヒータであって、ここでは融雪シートとして構成されている。ポータブル面状ヒータ10は、カーボンシート20A、20Bを備え、カーボンシート20A、20Bは、カバーシート30によって被覆されている。
カーボンシート20A、20Bは、ここでは矩形状(例えば800mm×400mm)に構成され、短手方向に沿って一列に並んでいる。カーボンシート20A、20Bのサイズ、縦横比は同じである。パネル外装となるカバーシート30は、2枚のカーボンシート20A、20Bを覆うサイズを有する。カーボンシート20A、20Bおよびカバーシート30は、可撓性、柔軟性があり、ポータブル面状ヒータ10は、ターポリンのように軟質で柔らかく、折り曲げ、折り畳むことが可能である。なお、カーボンシートを3枚以上並べてもよく、また、カバーシート30を正方形状に構成することも可能である。
図2は、ポータブル面状ヒータの積層構造を示した図である。
絶縁性であるカバーシート30は、カーボンシート20A、20Bの一方の面を覆う合成樹脂フィルム30Aと、反対側の面を覆う合成樹脂フィルム30Bによって構成され、カーボンシート20A、20B全体をまとめて挟み込んで覆っている。
合成樹脂フィルム30A、30Bは、例えば塩化ビニールなどの軟質の合成樹脂から成り、コーティング加工などで積層されている。カーボンシート20A、20Bと合成樹脂フィルム30Bとの間には、シート状で可撓性のある断熱材40が設けられている。以下では、ポータブル面状ヒータ10の断熱材40側の設けられた面を下面10D、反対側の面と上面10Uとする。
カーボンシート20A、20Bは、折り曲げ、折り畳み可能な可撓性、柔軟性のあるシートであり、ここではカーボン和紙シート(CJP)によって構成されている。カーボン和紙シートは、和紙の混紗技術を用いて、和紙の中にカーボンチョップドファイバ、すなわちカーボンファイバを細かく分断したものを長手方向に目をそろえて均質に分散させたものであり、面積抵抗(単位面積当たりの抵抗)を所定の範囲で調整可能な高電導性(低抵抗)の性能をもつ。例えば、互いに垂直な2方向の一方向に沿ったシート端部に電極配置した場合と、他方向に沿ったシート端部に電極配置した場合に、面積抵抗の違いを持たせることができる。
カーボンシート20A、20Bに電流が流れるとジュール熱が発生し、カーボンシート20A、20Bの温度が上昇する。そして、温度上昇に合わせて輻射熱(遠赤外線)が発生する。カーボン和紙シート(CJP)は遠赤外線効率、すなわち輻射熱への変換効率が非常に高く、空間を隔てた対象物に対しても、熱伝達効率が高いため、短時間で熱効果を発揮することができる。
図3は、ポータブル面状ヒータの回路構成を概略的に示した図である。
ポータブル面状ヒータ10は、電源60(例えばAC100V)によって電源供給される。カーボンシート20A、20Bの長手方向に沿った端部には、電極50A、50B、50Cが接続され、電極50A、50Cはケーブルを介して電源60と接続される。電極50A、50B、50Cは、ここでは板状あるいは箔状の電極によって構成されている。また、カーボンシート20A、20Bの長手方向の面積抵抗は、互いに等しい。発熱量は、例えば350Wとすることができる。
電極50A、50Cは、カーボンシート20A、20Bの一方の長手方向端部にそれぞれ接続し、電極50Bは、カーボンシート20A、20Bの他方の長手方向端部の両方と接続している。電極50A、50B、50Cは、ここでは柔軟性のある板状電極で構成されている。カーボンシート20A、20Bは、電気回路として直列接続であり、電極50A、カーボンシート20A、電極50B、カーボンシート20B、そして電極50Cに沿って電流が流れていく。電極50Cと電源60との間には、サーモスタット52、ヒューズ54が設けられている。
図4は、ポータブル面状ヒータ10を融雪シートとして雪の上に配置した図である。ここでは、除雪作業などによって集められた雪の塊を融雪するために使用される。
ユーザは、ポータブル面状ヒータ10を、その下面10Dが外側(上方)を向くようにして、カーボンシート20A、20Bの間のラインB(図1参照)に沿って折り曲げ、除雪作業などで集められた雪の塊の上に配置する。ただし、ポータブル面状ヒータ10は、柔らかく柔軟性があるため、実際には雪の塊の形状に沿って幾分撓む。
断熱材40を上側にし、ポータブル面状ヒータ10のカーボンシート20A、20B両方を雪の塊の表面に沿って覆いかぶせるように配置することによって、輻射熱が効果的に雪に伝達し、効率よく雪解けする。
ポータブル面状ヒータ10を融雪シートとして使用する場合、先に地面の上に広げて雪をその上に載せてもよく、また、融雪用のBOXの底面、側面などに融雪シートを配置し、BOX内に雪を投入するようにしてもよい。さらに、雪の積もった車の屋根や窓、家の玄関先などに配置することも可能である。電源を車のバッテリや玄関などに備えられた充電設備から電源供給すればよい。
このように本実施形態では、ポータブル面状ヒータ10が、カーボン和紙シート(CJP)から成るカーボンシート20A、20B、電極50を備え、カーボンシート20A,20Bが、軟質のカバーシート30で被覆される。そして、カーボンシート20A、20Bは、短手方向に沿って並び、ポータブル面状ヒータ10は、カーボンシート20Aとカーボンシート20Bとの間で折り曲げ、折り畳み可能である。
カーボンシートは、抵抗値がその縦横比に従うため、カーボンシートの縦横比を変えることで発熱量を調整することができる。また、カーボンシートの並べる枚数によっても発熱量が変わる。したがって、融雪などに必要な発熱量、および使用する電源などを考慮してカーボンシートの形状(縦横比)、枚数を定め、これらをまとめて1つのカバーシート30で覆ったポータブル面状ヒータを提供することができる。さらに、長手方向の面積抵抗を変えてカーボンシート20A、20Bを作成することで、より細かく熱量を設定することも可能である。
その一方で、カーボンシートを電流が順に流れていくように、電極50をカーボンシートの長手方向端部に設けることができるため、カーボンシートを2次元的な配置にする必要なく、一方向に並べた簡易なポータブル面状ヒータ10を構成することができる。そして、電極50の部分、すなわちカーボンシート20Aとカーボンシート20Bの隙間部分で折り曲げるため、カーボンシート20A、20Bは面状のまま効果的に発熱することができる。また、カーボンシート20A、20Bが短手方向に並ぶため、カーボンシート20A、20Bに対して新たなカーボンシートを追加して直列接続し、発熱量を調整することも可能となる。
カバーシート30が軟質の合成樹脂フィルムで構成されているため、ターポリンのようにポータブル面状ヒータ10を自由に折り曲げ、折り畳むことが可能であり、集められた雪の塊が平坦でなく凸凹していても、雪を効果的に溶かすことができる。なお、カバーシート30については、フィルムより厚みのある軟質の合成樹脂シートで構成してもよい。
次に、図5、6を用いて第2の実施形態であるポータブル面状ヒータについて説明する。第2の実施形態では、ポータブル面状ヒータがクッション内に設けられている。
図5は、クッションの内部構成を示した図である。クッション150は、羽毛、ポリウレタン、面などの素材110の中に、ポータブル面状ヒータ100を収容している。ポータブル面状ヒータ100はクッション150から出し入れ自由である。ポータブル面状ヒータ100のサイズは、臀部を温めるのに必要な熱量などを考慮して定められ、形状としては正方形状(例えば300mm×300mm)にすることができる。
ポータブル面状ヒータ100は、カーボン和紙シートで構成されるカーボンシート120A、120Bを備え、その上面をポリウレタンなどの含まれる弾性のカバーシート130で覆い、反対側の下面側に板状の断熱材140を設けている。断熱材140は、例えばハニカム構造を採用することができる。
図6は、第2の実施形態におけるポータブル面状ヒータの回路構成を概略的に示した図である。
電源としては、端末充電などに使用されるモバイルバッテリ200が用いられる。モバイルバッテリ200は、2つの電源出力210A、210B(例えば5V)を備え、USBケーブルなどのケーブルC1、C2を、カーボンシート120A、120Bの長手方向端部と接続する電極150A、150Bに接続可能である。
電極150A、150Bは互に電気的に接続されていない。カーボンシート120A、120Bは直列的に接続されておらず、別々に電源供給される。カーボンシート120A、120Bの他方の長手方向端部はアース側に設置され、電流がカーボンシート120A、120Bを別々に流れる。
第2の実施形態では、複数の電源出力をもつモバイルバッテリを利用して、カーボンシート120A、120Bへ別々に電流を流す。これにより、電源電圧の小さいモバイルバッテリを使用しても、発熱を効果的に行うことができ、クッション150を椅子に置き、USBケーブルC1、C2をポータブル面状ヒータ100に接続させるだけで急速に温めることができる。
第2の実施形態で示した複数のカーボンシートに電流を別々に流す構成については、第1の実施形態に適用することも可能である。逆に、第1の実施形態に示したカーボンシートの直列接続を第2の実施形態に適用させてもよい。第2の実施形態のポータブル面状ヒータを、融雪シートとして利用することも可能であり、第1の実施形態のポータブル面状ヒータをオフィスの床などに設置してもよい。
次に、図7、8を用いて第3の実施形態について説明する。第3の実施形態では、自然災害において使用される暖房器具にポータブル面状ヒータが利用される。なお、第3の実施形態である災害用暖房器具を、キャンプなどの屋外で使用することも可能である。
図7は、第3の実施形態であるポータブル面状ヒータの概略的断面図である。図8は、第3の実施形態におけるポータブル面状ヒータの回路構成を概略的に示した図である。
ポータブル面状ヒータ100’は、ここでは縦横比が同じ3枚のカーボンシート120’A、120’B、120’Cを備える。カーボンシート120’A、120’B、120’Cは、その短手方向をカバーシート130’の長手方向に沿うように並び、互いに所定間隔空けて離れている。カバーシート130’は、2枚のシートを縁全体に沿って重ねた状態でカーボンシート120’A、120’B、120’Cを内部に収容する。
カバーシート130’の長手方向縁部には、面ファスナー135’が設けられている。これによって、カーボンシート120’A、120’B、120’Cが出し入れ可能なように、カバーシート130’を開閉することができる。カバーシート130’は、カーボンシート120’A、120’B、120’C全体を被覆できるサイズを有し、カーボンシート120’A、120’B、120’Cの両面を覆う。
カーボンシート120’A、120’B、120’Cの片面には、ここでは硬質の断熱材140’A、140’B、140’Cが、熱効率を高めるためにそれぞれ接着などによって取り付けられている。例えば、帯状両面テープ(図示せず)が、断熱材140’A、140’B、140’Cに対して間隔を空けて張り付けられる。断然材140’A、140’B、140’Cの片側全面に両面テープを張り付けることも可能であり、テープの代わりに接着剤を用いてもよい。断熱材140’A、140’B、140’Cは、カーボンシート120’A、120’B、120’Cと比べて短手方向長さが略同じである一方で全体サイズが大きく、また、カーボンシート120’A、120’B、120’Cと比べて厚みがある。
図8に示すように、カーボンシート120’A、120’B、120’Cは、電源ラインC1’、C2’を介して、電源出力が1つである電源供給器200’から電源供給される。ここでは、電源供給器200’はバッテリやDC電源アダプタとして構成され、電源ラインC1’、C2’は、DC電源ラインとして構成される。そして、カーボンシート120’A、120’B、120’Cは、電気的に並列接続している。
カーボンシート120’Aの電極150’A、150’Eは、フレキシブルな導線142、143を介して、カーボンシート120’Bの向かい合う電極150’B、150’Fとそれぞれ接続し、カーボンシート120’Bの電極150’B、150’Fは、フレキシブルな導線144、145を介して、カーボンシート120’Cの向かい合う電極150’C、150’Gとそれぞれ接続している。電極150’A~150’Gは、ここでは箔電極で構成されている。
ポータブル面状ヒータ100’は、折り曲げることが可能な導線142、143および導線144、145の部分で、断熱材140’A、140’B、140’Cとは反対側に向けて、折り畳むことができる(図7の矢印参照)。ポータブル面状ヒータ100’は、一塊となるように折り畳んだ状態で収納袋400に収納される。そのため、数多くのポータブル面状ヒータ100’を限られた収容スペースに備蓄することができる。
自治体などは、収納袋400に収納されているポータブル面状ヒータ100’を、防災用暖房器具として備蓄することができる。台風、地震、豪雨などの自然災害が生じると、避難所へ避難してきた人々に対し、マットヒータとして供給することができる。避難者は、ポータブル面状ヒータ100’を収納袋400から取り出して広げ、ポータブル面状ヒータ100’の上で直接あるいは間接的に横になることで、体を温めることができる。
ポータブル面状ヒータ100’は、商用電源から直接電源供給を受けるのではなく、バッテリ200’から電源供給を受ける。そのため、避難者が所有するUSBケーブルなどを使ってポータブル面状ヒータ100’へ電源供給することが可能となる。また、カーボンシート120’A、120’B、120’Cは短時間で暖房効果を発揮するため、複数のポータブル面状ヒータ100’へ順次電源供給することで、多くの避難者が暖房用器具で暖をとることができる。
さらに、カバーシート130’に開閉部となる面ファスナー135’を設けることによって、カーボンシート120’A、120’B、120’Cのすべての交換あるいは一部交換を行うことが容易となる。また、カバーシート130’のサイズを調整することによって、カーボンシートの数を追加、減少させることができる。なお、カバーシート130’の開閉部分を一辺だけに限定しなくてもよい。例えば、カバーシートの縁全体に沿って開閉可能にしてもよい。
導線142、143、144、145を取り外し可能に、電源ラインC1’およびモバイルバッテリ200’を第1の実施形態のような電源に置換してもよい。こうすることで、カーボンシート120’A、120’B、120’Cを第1の実施形態のような直列接続にすることも可能である。カーボンシート120’A、120’B、120’Cを短手方向に並べることで、電気的な接続の仕方を直列接続、並列接続いずれか選択的に設定するように構成することができる。
なお、カーボン和紙シート以外でも、同様の発熱特性や柔軟性のある発熱シートを使用することも可能であり、カーボンナノチューブコーティングされた布や、微細化した炭素粉末を含む樹脂シートで構成することも可能である。
10、100、100’ ポータブル面状ヒータ
20A、20B カーボンシート(発熱シート)
30 カバーシート
40 断熱材
50 電極

Claims (10)

  1. それぞれ通電により発熱し、抵抗値が縦横比に従う複数のカーボンシートと、
    前記複数のカーボンシートを覆うカバーシートと、
    板状または箔状電極とを備え、
    前記複数のカーボンシートが、前記複数のカーボンシートの短手方向に並び、長手方向両端部で前記板状または箔状電極と接続し、
    前記複数のカーボンシートと前記板状または箔状電極との電気的接続によって、前記複数のカーボンシート全体に渡って電流が流れ、
    各カーボンシートが、シート長手方向に沿って流れる電流によって発熱し、
    隣り合うカーボンシートの間で折り曲げまたは折り畳み可能であることを特徴とするポータブル面状ヒータ。
  2. それぞれ通電により発熱し、抵抗値が縦横比に従う複数のカーボンシートと、
    前記複数のカーボンシートを覆うカバーシートと、
    複数の板状または箔状電極とを備え、
    前記複数のカーボンシートが、前記複数のカーボンシートの短手方向に並び、長手方向両端部で前記複数の板状または箔状電極とそれぞれ接続し、
    前記複数のカーボンシートが、互いに所定間隔空けて並び、
    隣り合うカーボンシートの間で向かい合う板状または箔状電極が、フレキシブルな導線を介して電気的に接続し、
    各カーボンシートが、シート長手方向に沿って流れる電流によって発熱することを特徴とするポータブル面状ヒータ。
  3. それぞれ通電により発熱する複数のカーボンシートと、
    前記複数のカーボンシートを覆うカバーシートと、
    複数の板状または箔状電極とを備え、
    前記複数のカーボンシートが、前記複数のカーボンシートの短手方向に並び、長手方向両端部で前記複数の板状または箔状電極とそれぞれ接続し、
    前記複数のカーボンシートが、互いに所定間隔空けて並び、
    隣り合うカーボンシートの間で向かい合う板状または箔状電極が、フレキシブルな導線を介して電気的に接続し、
    各カーボンシートが、シート長手方向に沿って流れる電流によって発熱し、
    前記複数のカーボンシート間の電気接続を、並列および直列いずれかに選択的に設定可能であることを特徴とするポータブル面状ヒータ。
  4. それぞれ通電により発熱する複数のカーボンシートと、
    前記複数のカーボンシートを覆うカバーシートと、
    複数の板状または箔状電極とを備え、
    前記複数のカーボンシートが、前記複数のカーボンシートの短手方向に並び、長手方向の一方の端部で前記複数の板状または箔状電極とそれぞれ接続し、
    前記複数のカーボンシートが、互いに電気的に接続されておらず、
    前記複数のカーボンシートが、複数の電源出力からの電源供給によって、シート長手方向に沿って別々に電流が流れるように構成されていることを特徴とするポータブル面状ヒータ。
  5. 前記カバーシートが、前記複数のカーボンシートの両面を覆う軟質の合成樹脂シートまたは合成樹脂フィルムで構成されることを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載のポータブル面状ヒータ。
  6. 前記カバーシートが、前記複数のカーボンシートを取り出し可能な開閉部分を有することを特徴とする請求項5に記載のポータブル面状ヒータ。
  7. 前記複数のカーボンシートの片面とそれぞれ接する複数の断熱材をさらに備えることを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載のポータブル面状ヒータ。
  8. 請求項1乃至4のいずれかに記載のポータブル面状ヒータを備えたことを特徴とするクッション。
  9. 請求項1乃至4のいずれかに記載のポータブル面状ヒータと、
    前記ポータブル面状ヒータを折り畳んだ状態で収納可能な収納袋と
    を備えたことを特徴とする暖房器具。
  10. 請求項1乃至4のいずれかに記載のポータブル面状ヒータを備えたことを特徴とする融雪シート。

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