(57)【要約】【課題】発熱箇所の熱拡散を促し、局所的な温度上昇を防止する。【解決手段】高熱伝導性を有し、２次元的な温度分布を均一化させる熱拡散シート１０であって、基本材と、高熱伝導性を有する炭素繊維と、高熱伝導性を有する第１の黒鉛と、伝導ネットワークを形成する第２の黒鉛と、前記基本材、前記炭素繊維、前記第１の黒鉛および前記第２の黒鉛を混抄して形成された熱拡散型混抄紙１０と、熱拡散型混抄紙１０を両面からパッキングする一組のプリプレグ１１と、を備える。【選択図】図１
2018094818.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高熱伝導性を有し、２次元的な温度分布を均一化させる熱拡散シートであって、
基本材と、
高熱伝導性を有する炭素繊維と、
高熱伝導性を有する第１の黒鉛と、
伝導ネットワークを形成する第２の黒鉛と、
前記基本材、前記炭素繊維、前記第１の黒鉛および前記第２の黒鉛を混抄して形成された混抄紙と、
前記混抄紙を両面からパッキングするシート部と、を備えることを特徴とする熱拡散シート。
【請求項２】
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、
炭素繊維を用いた面状発熱体と、
前記面状発熱体に設けられた電極と、
前記面状発熱体に積層された有機化合物層と、を備え、
少なくとも一つの請求項１記載の熱拡散シートが、鉛直方向の最下位から最上位のいずれかの位置に積層されたことを特徴とする遠赤外線輻射シート。
【請求項３】
高熱伝導性を有し、２次元的な温度分布を均一化させる熱拡散シートの製造方法であって、
基本材、高熱伝導性を有する炭素繊維、高熱伝導性を有する第１の黒鉛および伝導ネットワークを形成する第２の黒鉛を混抄して混抄紙を形成する工程と、
シート部で前記混抄紙を両面からパッキングする工程と、を少なくとも含むことを特徴とする熱拡散シートの製造方法。
【請求項４】
請求項１記載の熱拡散シートを用いることを特徴とする温度管理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２次元的な温度分布を均一化させる熱拡散シート、遠赤外線輻射シート、熱拡散シートの製造方法および温度管理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、加熱や暖房を行なうためのヒーターとして、炭素繊維を用いた面状発熱体が提案されている。炭素繊維を用いた面状発熱体は、遠赤外線を輻射する発熱体として注目され、遠赤外線輻射シートとして実用化されている。この遠赤外線輻射シートは、パルプ等にチョッピング状の炭素繊維を混抄し、抄紙化したシートに、銅箔や銀ペースト等を使って電極を設け、ガラスエポキシやＰＥＴフィルム等の絶縁物でパッキングまたは積層することで作製される。このような遠赤外線輻射シートは、導電性を有し、面状に効率良く遠赤外線を輻射するヒーター材として使用されている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、特定の波長領域の遠赤外線をより高い効率で輻射する遠赤外線輻射シートが開示されている。この遠赤外線輻射シートでは、単なる発熱体としてではなく、遠赤外線輻射材料として、炭素繊維が用いられており、黒色に着色された炭素繊維混抄紙に電極が設けられ、前記炭素繊維混抄紙に有機化合物層が積層された構成が採られている。なお、遠赤外線とは、約４μｍから約１００μｍの範囲の波長を有する赤外線のことである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３１８１５０６号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の遠赤外線輻射シートでは、温度ヒューズ付きのサーモスタットやＰＴＣシステム等を使用して温度制御しているが、同一シート内において１０％〜１５％の温度ムラがあることが分かっている。また、任意の箇所において、放熱を遮断された状態が継続すると、“篭り熱”が発生し、局所的に温度が上昇してしまう。特に、遠赤外線輻射シートは、人の生活空間における床に設置するため、家具等を置いた箇所に“篭り熱”が発生する可能性が高い。このため、有効な解決策が望まれていた。
【０００６】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、発熱箇所の熱拡散を促し、局所的な温度上昇を抑制することができる熱拡散シート、遠赤外線輻射シート、熱拡散シートの製造方法および温度管理方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
（１）上記の目的を達成するために、本発明は、以下のような手段を講じた。すなわち、本発明の熱拡散シートは、高熱伝導性を有し、２次元的な温度分布を均一化させる熱拡散シートであって、基本材と、高熱伝導性を有する炭素繊維と、高熱伝導性を有する第１の黒鉛と、伝導ネットワークを形成する第２の黒鉛と、前記基本材、前記炭素繊維、前記第１の黒鉛および前記第２の黒鉛を混抄して形成された混抄紙と、前記混抄紙を両面からパッキングするシート部と、を備えることを特徴とする。
【０００８】
このように、基本材と、高熱伝導性を有する炭素繊維と、高熱伝導性を有する第１の黒鉛と、伝導ネットワークを形成する第２の黒鉛を混抄するので、熱伝導率を高めることが可能となる。また、シート部で混抄紙を両面からパッキングするため、空気層が無くなり、熱伝導性を高めることが可能となる。
【０００９】
（２）また、本発明の遠赤外線輻射シートは、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、炭素繊維を用いた面状発熱体と、前記面状発熱体に設けられた電極と、前記面状発熱体に積層された有機化合物層と、を備え、少なくとも一つの上記（１）記載の熱拡散シートが、鉛直方向の最下位から最上位のいずれかの位置に積層されたことを特徴とする。
【００１０】
このように、熱拡散シートが積層されているので、発熱箇所の熱拡散を促し、局所的な温度上昇を抑制することが可能となる。
【００１１】
（３）また、本発明の熱拡散シートの製造方法は、高熱伝導性を有し、２次元的な温度分布を均一化させる熱拡散シートの製造方法であって、基本材、高熱伝導性を有する炭素繊維、高熱伝導性を有する第１の黒鉛および伝導ネットワークを形成する第２の黒鉛を混抄して混抄紙を形成する工程と、シート部で前記混抄紙を両面からパッキングする工程と、を少なくとも含むことを特徴とする。
【００１２】
このように、基本材、高熱伝導性を有する炭素繊維、高熱伝導性を有する第１の黒鉛および伝導ネットワークを形成する第２の黒鉛を混抄して混抄紙を形成するので、熱伝導率の高い熱拡散シートを製造することが可能となる。また、シート部で混抄紙を両面からパッキングするため、空気層が無くなり、熱伝導性を高めることが可能となる。
【００１３】
（４）また、本発明の温度管理方法は、上記（１）記載の熱拡散シートを用いることを特徴とする。
【００１４】
これにより、温度ムラや局所的な温度上昇を抑制することが可能となる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、発熱箇所の熱拡散を促し、局所的な温度上昇を抑制することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本実施形態にかかる遠赤外線輻射シートの分解図である。
【図２】検証の概要を示す分解図である。
【図３】検証の概要を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明者は、遠赤外線輻射シートの特性として、温度ムラがあることと、任意の箇所において、放熱を遮断された状態が継続すると、“篭り熱”が発生し、局所的な温度上昇が発生することに着目し、熱伝導性の高い炭素繊維および天然黒鉛を混抄した混抄紙を用いることで、温度ムラや“篭り熱”を抑制することができることを見出し、本発明に至った。
【００１８】
すなわち、本発明の熱拡散シートは、高熱伝導性を有し、２次元的な温度分布を均一化させる熱拡散シートであって、基本材、高熱伝導性を有する炭素繊維と、高熱伝導性を有する第１の黒鉛と、伝導ネットワークを形成する第２の黒鉛と、前記基本材、前記炭素繊維、前記第１の黒鉛および前記第２の黒鉛を混抄して形成された混抄紙と、前記混抄紙を両面からパッキングするシート部と、を備えることを特徴とする。
【００１９】
これにより、本発明者は、熱伝導率の高い熱拡散シートを実現することを可能とした。以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら具体的に説明する。
【００２０】
図１は、本実施形態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。この一組のプリプレグ１１が、シート部１３を構成する。なお、プリプレグとは、ガラスクロスや炭素繊維のような繊維状の補強材に、硬化剤等の添加物を混合したエポキシ等の熱硬化性樹脂を均等に含浸させて、加熱または乾燥させたプラスチック成形材料のことである。本実施形態では、０．１ｍｍ〜０．２ｍｍの厚さを有する一組のプリプレグ１１を用いたが、本発明は、これに限定されるわけではなく、厚さを適宜変更することが可能である。また、本実施形態では、一組のプリプレグ１１でシート部１３を構成したが、本発明は、これに限定されるわけではなく、一方をプリプレグ等の樹脂シートとし、他方をＰＥＴフィルム等でシート部１３を構成しても良い。
【００２１】
この熱拡散シート１２は、紙面に対して最上位に設けられている。発熱型混抄紙２０は、紙面に対して両端部に電極２１を有しており、０．１ｍｍ〜０．２ｍｍの厚さを有する一組のプリプレグ２２によってパッキングされ、ガラスエポキシ板化されている。さらに、このガラスエポキシ板化された発熱型混抄紙２０は、絶縁および保護のため、両面から、０．１ｍｍの厚さを有する一組のＰＥＴ（Polyethylene terephthalate）フィルムによってパッキングされている。なお、本実施形態では、０．１ｍｍ〜０．２ｍｍの厚さを有する一組のプリプレグ２２を用いたが、本発明は、これに限定されるわけではなく、厚さを適宜変更することが可能である。また、本実施形態では、熱拡散シート１２を紙面に対して最上位に設けたが、本発明は、これに限定されるわけではなく、一つ以上の熱拡散シート１２を最上位から最下位のいずれかの位置に積層させる態様や、最上位および最下位の両方に積層させる態様を採ることも可能である。
【００２２】
本実施形態に係る熱拡散型混抄紙１０は、高強度の炭素繊維またはパルプ等を「基本材」とする。具体的には、ＰＡＮ系の炭素繊維またはパルプを基本材とすることができる。また、「高熱伝導性を有する炭素繊維」として、異方性ピッチ系炭素繊維を用いる。炭素繊維は、原料の違いにより、結晶構造が異なり、ポリアクリロニトリルを原料とするＰＡＮ系と、コールタールピッチや石油ピッチを原料とするピッチ系に分類される。「軽量・高強度」のＰＡＮ系炭素繊維に対して、弾性率の高いピッチ系炭素繊維は「軽量・高剛性・高熱伝導・極低熱膨張」という特徴を持っている。ピッチ系炭素繊維は、紡糸に供するピッチの結晶状態により、偏光顕微鏡で観察すると光学的に等方性と異方性に分類される。本実施形態では、特に、異方性ピッチ系炭素繊維を用いる。この異方性ピッチ系炭素繊維は、黒鉛結晶が繊維軸方向に規則正しく並んだものであるため、金属と同等以上の熱伝導率を有するものである。
【００２３】
さらに、本実施形態では、基本材に高熱伝導性を有する炭素繊維（ピッチ系炭素繊維）を混抄し、高熱伝導性を有する天然黒鉛または人造黒鉛である「第１の黒鉛」を混合させる。これによって、高熱伝導性炭素繊維間の接触抵抗を軽減させることが可能となる。ここで、第１の黒鉛として、高熱伝導性炭素繊維（ピッチ系炭素繊維）をミルドファイバーとしたものである人造黒鉛を使用することも可能である。これにより、高熱伝導性炭素繊維の混抄する割合を増やすことが可能となる。すなわち、基本材にＰＡＮ系炭素繊維を用いた場合、ピッチ系炭素繊維を５０ｗｔ％程度混抄することができるのに対し、基本材にパルプ等を用いた場合、ピッチ系炭素繊維を２５ｗｔ％程度しか混抄することができない。しかし、パルプ水溶液にミルドファイバーや黒鉛を５０ｗｔ％程度混入させることが可能であるため、パルプを基本材とすることによって、混抄紙での炭素繊維または黒鉛の量を増やすことが可能である。
【００２４】
さらに、炭素繊維や天然黒鉛または人造黒鉛である第１の黒鉛等の素子間に、伝導ネットワークを形成するために特化した天然黒鉛である「第２の黒鉛」を混合する。第２の黒鉛が、それぞれの素子間に入り込むことによって、抄紙全体における伝導ネットワークが形成され、熱伝導性が向上し、よりスムーズな熱移動を実現させる。
【００２５】
そして、上記の基本材、高熱伝導性を有する炭素繊維、第１の黒鉛および第２の黒鉛を混抄し、熱拡散型混抄紙１０を形成する。ここで、この熱拡散型混抄紙１０では、抄紙の中の炭素繊維または黒鉛のそれぞれの素子間に空気層が存在するため、熱拡散型混抄紙１０のみでは、高熱伝導性を実現することは困難である。空気層は、断熱性が高いため、熱伝導を妨げてしまう。
【００２６】
そこで、本実施形態では、通常のガラスエポキシよりも少し多いエポキシ樹脂を含んだ一組のプリプレグ１１によって、熱拡散型混抄紙１０を、両面からパッキングする。これにより、抄紙中の空気層を無くしている。
【００２７】
発熱型混抄紙２０は、例えば、特許第３１８１５０６号明細書に開示されているものを用いることが可能である（本発明はこれに限定されるわけではない）。すなわち、発熱型混抄紙２０は、以下のようにして作製される。和紙の原料となるコウゾ、ミツマタまたはガンピ等の靱皮繊維に水を加えてパルプ液を作り、５ｍｍ程度にカッテングされた炭素繊維をその中に混入し、分散させる。そのパルプ液を抄紙用の網上に流し、ウエットシートを形成する。そのウエットシートを搾水用のロールを用いて機械的に脱水し乾燥させた後、所定の寸法に裁断する。このようにして、厚さ０．１ｍｍ前後の発熱型混抄紙２０が形成される。
【００２８】
次に、発熱型混抄紙２０の対向する二辺に沿って、帯状の銀ペーストまたは銅ペーストを印刷し、銀ペーストまたは銅ペースト上に、銅箔を貼着し、電極２１を形成する。そして、この発熱型混抄紙２０に黒色塗料等の黒色物質を塗布または含浸させることが効果的である。黒色物質としては、例えば、ＣｕＯ（酸化銅）、Ｆｅ３Ｏ４（四酸化三鉄または酸化二鉄）、Ｆｅ３Ｐ（リン化三鉄）、Ｆｅ２ＭｇＯ４（酸化マグネシウム鉄）、Ｆｅ（Ｃ９Ｈ７）２（ビスインデニル鉄）等である。なお、発熱型混抄紙２０に一対の電極２１を取り付ける前に、発熱型混抄紙２０を黒色に着色しても良い。また、発熱型混抄紙２０の製造工程において、パルプ液に黒色顔料等の黒色物質を混入および分散させることにより、黒色の発熱型混抄紙２０を作製しても良い。
【００２９】
さらに、プリプレグ２２で発熱型混抄紙２０をパッキングし、最後に、一組のＰＥＴ２３によって、プリプレグ２２でパッキングされた発熱型混抄紙２０をパッキングし、本実施形態に係る熱拡散シート１２を、最上位に積層させて、完成となる。熱拡散型混抄紙１０と発熱型混抄紙２０との絶縁性は、その間に挟まれるＰＥＴ２３によって確保される。なお、熱拡散シート１２は、一つのみならず、複数設けても良い。すなわち、上述したように、一つ以上の熱拡散シート１２を最下位から最下位にいずれかの位置に積層させる態様や、最上位および最下位に積層させる態様を採ることも可能である。
【００３０】
［検証］
次に、本実施形態に係る遠赤外線輻射シートについて行なった実証試験について説明する。図２は、検証の概要を示す分解図であり、図３は、検証の概要を示す平面図である。
【００３１】
［検証期間］
２０１６年９月７日〜２０１６年９月８日である。
【００３２】
［検証目的］
床暖房設置場所の任意の箇所において、放熱を遮断された状態が継続することによって、局所的な篭り熱が発生した場合、本実施形態に係る遠赤外線輻射シートを用いることにより、その発熱箇所の熱拡散を促し、結果的に局所的発熱の程度を抑制する効果があるかどうかを検証する。
【００３３】
［検証概要］
本実施形態に係る遠赤外線輻射シート、および従来型の遠赤外線輻射シート(以下、「従来型シート」と呼称する。)を用いてフローリング床を再現し、５カ所に接触型デジタル温度計を設置する。篭り熱による過発熱状態を人為的に発生させ、それぞれのシートにおける平常発熱時からの温度変化を測定し、比較検証することにより、本実施形態に係る遠赤外線輻射シートが、熱を均一化し、または熱を拡散する状態を検証する。
【００３４】
［検証環境条件］
室温：一定の外気温（検証時：２８．５度前後）
電圧：１００Ｖ
【００３５】
［検証装置］
（１）再現フローリング床：図２および図３に示す通りである。
（２）図２に示すように、０．４ｍｍの厚さを有するガラエポ３４上のＡ、Ｂ、Ｃの３カ所に、接触型デジタル温度計を設置する。これにより、本実施形態に係る遠赤外線輻射シートの表面温度を採温する。
（Ａ）過発熱帯中央
（Ｂ）放熱帯（過発熱帯最端より２ｃｍの箇所）
（Ｃ）放熱帯（過発熱帯最端より１４ｃｍの箇所）
（３）木質フローリング３０の面上のＤ、Ｅの２箇所に、接触型デジタル温度計を設置する。
（Ｄ）過発熱箇所のフローリング表面
（Ｅ）放熱箇所のフローリング表面
（４）篭り熱による過発熱誘因材として、２５ｍｍの厚さを有する両面ＡＬ付断熱材４０を設けた。
（５）温度制御センサー３６およびコントローラ３８を設置し、検証時の制御温度を５０℃に設定する。
【００３６】
［検証手順］
本実施形態に係る遠赤外線輻射発熱シートと、従来型シートのそれぞれについて、下記（１）〜（６）の同手順にて行なう、測定と検証を行なう。
【００３７】
（１）温度制御センサー３６を有するコントローラ３８を５０℃に設定した上で、加温を開始する。
【００３８】
（２）温度制御センサー３６において、５０℃（ピーク温度）に到達するごとに、接触型デジタル温度計設置部Ａ〜Ｅの値を、上昇温度の安定時（熱の飽和状態）まで計測する。ここで、「熱の飽和状態」とは、温度制御センサー３６による温度制御において、ピーク時の温度がほぼ同一温度にて繰り返し、上昇温度が安定した状態のことをいう。
【００３９】
（３）上昇温度の安定後、２５ｍｍの両面ＡＬ付断熱材４０を設けたことを原因として、篭り熱による過発熱状態を発生させる。これは、図３における「異常発熱帯Ｄ」となる。
【００４０】
（４）温度制御センサー３６において、５０℃（ピーク温度）に到達するごとに、接触型デジタル温度計設置部Ａ〜Ｅの値を、上昇温度の安定時まで計測する。
【００４１】
（５）過発熱帯中央（Ａ）と、放熱帯（Ｂ）それぞれの箇所において、平常発熱状態下での安定上昇温度（上記手順（２））と、過発熱発生状態下での安定上昇温度（上記手順（４））との差の数値を割り出し、これを「熱拡散指数」とする。
【００４２】
（６）次に、手順（５）にて割り出した数値を、本実施形態に係る遠赤外線輻射シートと従来型シートにおいて比較する。
【００４３】
［結果］
（従来型シートの測定結果）
（Ａ）５３．３
（Ｂ）５１．１
（Ｃ）５０．４
（本実施形態に係る遠赤外線輻射シートの測定結果）
（Ａ）５０．５
（Ｂ）５０．６
（Ｃ）５１．６
上記手順（２）で得られた各箇所の温度から、従来型シートが、最大値と最小値の差が２．９℃であるのに比べ、本実施形態に係る遠赤外線輻射シートは、最大値と最小値の差が、わずかに１．１℃しかなく、各測定箇所において、均一に発熱していることが分かった。
【００４４】
熱拡散指数で比較すると、以下の表に示す通りとなる。過発熱発生状態下の温度は、放熱帯へと熱移動するが、過発熱発生状態下の温度と、放熱帯の温度の差（熱拡散指数）が低いほど熱拡散性能が高いということになる。つまり、シートの熱拡散性能が向上するほど、過発熱発生状態下の安定温度は下がり傾向を示し、逆に、放熱帯の安定温度は上がり傾向を示す。表に示すように、従来型シートにおいては、手順（５）で得られた熱拡散指数が８．１であるのに対し、本実施形態に係る遠赤外線輻射シートの熱拡散指数は、６．７となった。
【表１】
2018094818.tif 000003
【００４５】
また、過発熱発生状態下の温度上昇安定後、（Ｄ：異常発熱帯）の過発熱箇所のフローリング表面において、センサーＤによって採温した結果、従来型シートが５７℃まで上昇したことに対し、本実施形態に係る遠赤外線輻射シートは５５℃に留まった。
【００４６】
［結論］
本実施形態に係る遠赤外線輻射シートは、シート内での温度ムラが改善され、また、任意の箇所において放熱を遮断された状態が継続することによって起きる局所的な温度上昇を抑え、任意の発熱箇所の熱拡散を促し、篭り熱の発生を大幅に抑制することができる面状ヒーターであるといえる。本実施形態に係る熱拡散シートを用いることによって、面状発熱体の温度管理を行なうことが可能となる。
【符号の説明】
【００４７】
１  遠赤外線輻射シート
１０  熱拡散型混抄紙
１１  プリプレグ
１２  熱拡散シート
１３  シート部
２０  発熱型混抄紙
２１  電極
２２  プリプレグ
２３  ＰＥＴ
３０  木質フローリング
３２  コンパネ
３４  ガラエポ
３６  温度制御センサー
３８  コントローラ
４０  両面ＡＬ付断熱材
【図１】
2018094818.tif 000004
【図２】
2018094818.tif 000005
【図３】
2018094818.tif 000006