(57)【要約】【課題】  発熱温度の調整が容易であり、かつ小型タイプから大型タイプまで多様な目的に適用することが可能な面状カーボンヒーターおよび面状カーボンヒーターの製造方法を提供する。【解決手段】  本発明に係る面状カーボンヒーター１は、波形に形成された複数の面状カーボン発熱体２が並列に配置されているとともに、各列の波形面状カーボン発熱体２の両端部が導電性材料により連結されて電極３が形成され、これらの表裏面が導電性材料によりラミネートされている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
波形に形成された複数の面状カーボン発熱体が並列に配置されているとともに、各列の波形面状カーボン発熱体の両端部が導電性材料により連結されて電極が形成され、これらの表裏面が導電性材料によりラミネートされている面状カーボンヒーター。
【請求項２】
前記波形面状カーボン発熱体は、その幅が２０ｍｍ〜３０ｍｍであって、波高が５０ｍｍ〜１５０ｍｍ以下に形成されている請求項１に記載の面状カーボンヒーター。
【請求項３】
前記波形面状カーボン発熱体の幅および波高は、一波長分の消費電力量が１０Ｗｈ〜２０Ｗｈとなるように形成されている請求項１または請求項２に記載の面状カーボンヒーター。
【請求項４】
前記波形面状カーボン発熱体の長さおよび配列数は、１ｍ２当たりの消費電力量が２００Ｗｈ以下となるように構成されている請求項１から請求項３のいずれかに記載の面状カーボンヒーター。
【請求項５】
前記導電性材料によるラミネート層は、内側に導電性樹脂層が形成されているとともに、外側に導電性金属層が形成されている、請求項１から請求項４のいずれかに記載の面状カーボンヒーター。
【請求項６】
前記導電性材料によるラミネート層の下層側には防湿・断熱シート層が形成されているとともに、前記ラミネート層の上層側には通気性保護シートが形成されている、請求項１から請求項５のいずれかに記載の面状カーボンヒーター。
【請求項７】
前記導電性材料によるラミネート層の外側には通気性保護シートが形成されているとともに、さらにその外側に複数の放熱孔が形成されているパンチング強化層が設けられている、請求項１から請求項６のいずれかに記載の面状カーボンヒーター。
【請求項８】
面状カーボン紙の片面のみを導電性材料によりラミネートする片面ラミネート工程と、
前記ラミネートされた片面を複数の孔が形成された作業盤上に載置して当該作業盤の裏側からバキュームで吸引して固定する吸引固定工程と、
前記面状カーボン紙から複数の波形面状カーボン発熱体が並列配置されるように切断するカーボン発熱体カッティング工程と、
各波形面状カーボン発熱体の両端部を導電性材料で連結して電極を作製する電極作成工程と、
表裏面を導電性材料によりラミネートする両面ラミネート工程と、
を有する面状カーボンヒーターの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、面状カーボン発熱体を使用したヒーターに関し、特に面状カーボン発熱体を所定の波形状に形成して発熱温度を制御し易くし、小型化も可能とする面状カーボンヒーターおよび面状カーボンヒーターの製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、各種の暖房システムが提案されているところ、その一つとして面状カーボン発熱体を用いたものがある。面状カーボン発熱体は、繊維状のカーボンを含有する紙のように薄い材料であり、通電することにより遠赤外線を発して発熱するものである。このため、遠赤外線により人体等を優しく暖めることができ、二酸化炭素などの環境や人体等に有害なるガスを発生させないことから注目されている。
【０００３】
また、面状カーボン発熱体は、床下への敷設が容易であってボイラー等が不要であり、消費電力も低い。このため、面状カーボン発熱体を用いた床暖房システムは、従来の配管式の床暖房システムに比べ、容易かつ安価に床下に設置でき、ランニングコストも削減できる。
【０００４】
例えば、特開２０１３−１５５９５１号公報では、床暖房用の面状カーボン発熱体として、平面視において網目状パターンに形成された面状カーボン発熱体が提案されている（特許文献１）。この特許文献１によれば、カーボン発熱体を線状パターンではなく、網目状パターンに形成することで、通電経路の拡散状態が得られ、結果的に施工後に部分的に荷重がかかった場合でも通電経路に融通性があり、こもり熱の発生を防止することができるとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１３−１５５９５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載された発明においては、多数の通電経路を有することにより、発熱温度の調整や制御が難しいという弊害が生じる。つまり、網目状パターンのカーボン発熱体では通電経路が定まらず、通電経路毎の通電量に不均衡を生じさせてしまう。
【０００７】
また、面状カーボン発熱体は、カーボン繊維が含有された面状カーボン紙で構成されているため、柔らかく、固定しにくい。このため、所望の形状に切断することが難しく、特に曲線状に形成することは極めて困難である。例えば、図５に示すようなＸ−Ｙプロッター６は、複雑な形状に切断可能な切断加工装置であって、切断対象物を作業盤６１上においてバキュームで吸引することにより固定するところ、面状カーボン紙は通気性がよいため吸引による固定ができない。このため、特許文献１に示す網目状パターン等の複雑な形状に切断するには、Ｘ−Ｙプロッター６を使用することができず、別途、手作業による切断を行うか、高価な金型などを使用して網目状パターンのカーボン紙を製造しなければならず、コスト的にも実用性に乏しい。
【０００８】
本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであって、発熱温度の調整が容易であり、かつ小型タイプから大型タイプまで多様な目的に適用することが可能な面状カーボンヒーターおよび面状カーボンヒーターの製造方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る面状カーボンヒーターは、波形に形成された複数の面状カーボン発熱体が並列に配置されているとともに、各列の波形面状カーボン発熱体の両端部が導電性材料により連結されて電極が形成され、これらの表裏面が導電性材料によりラミネートされている。
【００１０】
また、本発明の一態様として、前記波形面状カーボン発熱体は、その幅が２０ｍｍ〜３０ｍｍであって、波高が５０ｍｍ〜１５０ｍｍ以下に形成されていてもよい。
【００１１】
さらに、本発明の一態様として、前記波形面状カーボン発熱体の幅および波高は、一波長分の消費電力量が１０Ｗｈ〜２０Ｗｈとなるように形成されていてもよい。
【００１２】
また、本発明の一態様として、前記波形面状カーボン発熱体の長さおよび配列数は、１ｍ２当たりの消費電力量が２００Ｗｈ以下となるように構成されていてもよい。
【００１３】
さらに、本発明の一態様として、前記導電性材料によるラミネート層は、内側に導電性樹脂層が形成されているとともに、外側に導電性金属層が形成されていてもよい。
【００１４】
また、本発明の一態様として、前記導電性材料によるラミネート層の下層側には防湿・断熱シート層が形成されているとともに、前記ラミネート層の上層側には通気性保護シートが形成されていてもよい。
【００１５】
さらに、本発明の一態様として、前記導電性材料によるラミネート層の外側には通気性保護シートが形成されているとともに、さらにその外側に複数の放熱孔が形成されているパンチング強化層が設けられていてもよい。
【００１６】
また、本発明に係る面状カーボンヒーターの製造方法は、面状カーボン紙の片面のみを導電性材料によりラミネートする片面ラミネート工程と、前記ラミネートされた片面を複数の孔が形成された作業盤上に載置して当該作業盤の裏側からバキュームで吸引して固定する吸引固定工程と、前記面状カーボン紙から複数の波形面状カーボン発熱体が並列配置されるように切断するカーボン発熱体カッティング工程と、各波形面状カーボン発熱体の両端部を導電性材料で連結して電極を作製する電極作成工程と、表裏面を導電性材料によりラミネートする両面ラミネート工程とを有する。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、発熱温度の調整が容易であり、かつ小型タイプから大型タイプまで多様な目的に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明に係る面状カーボンヒーターの一実施形態を示す平面図である。
【図２】本実施形態の面状カーボンヒーターを示す断面模式図である。
【図３】本実施形態の面状カーボンヒーターを電気的に直列配置した場合を示す構成図である。
【図４】本実施形態の面状カーボンヒーターを電気的に並列配置した場合を示す構成図である。
【図５】本実施形態で用いたＸ−Ｙプロッターを示す斜視図である。
【図６】本実施形態におけるカーボン発熱体切断工程により切断された波形面状カーボン発熱体を示す平面図である。
【図７】本実施形態における電極作成工程により波形面状カーボン発熱体に電極が連結された状態を示す平面図である。
【図８】本実施例１における面状カーボンヒーターを多目的ヒーターとして用いた場合について示す断面模式図である。
【図９】本実施例２における面状カーボンヒーターを岩盤足湯ヒーターとして用いた場合について示す断面模式図である。
【図１０】本実施例３における面状カーボンヒーターを段ボールヒーターとして用いた場合について示す断面模式図である。
【図１１】本実施例４における面状カーボンヒーターをハンガーヒーターとして用いた場合について示す断面模式図である。
【図１２】本実施例４における面状カーボンヒーターをハンガーヒーターとして用いた場合について示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明に係る面状カーボンヒーターおよび面状カーボンヒーターの製造方法の一実施形態について図面を用いて説明する。
【００２０】
本実施形態の面状カーボンヒーター１は、図１および図２に示すように、主として、複数の波形面状カーボン発熱体２と、各波形面状カーボン発熱体２の両端部に連結された電極３と、前記波形面状カーボン発熱体２および前記電極３の表裏面のラミネート層４とを有する。以下、各構成について詳細に説明する。
【００２１】
波形面状カーボン発熱体２は、通電させることにより発熱する面状カーボン紙からなり、図１に示すように、通電させる電気の抵抗値および消費電力量を調整し易くするために波形に形成されている。すなわち、直線状のカーボン発熱体の場合には、電気抵抗が小さくなり、温度が上昇し易いため、面状ヒーターに適用しようとすると温度の均一分布化がし難いという問題がある。一方、鋭角状のカーボン発熱体の場合には、電気抵抗が大きくなり、温度が上昇し難く、屈曲部で温度ムラが生じやすいため、所望の発熱温度が得られにくいという問題がある。これに対し、波形状のカーボン発熱体の場合、川の流れのように、湾曲部分において適度な電気抵抗を与えつつ、通電も適度に確保することができるため、面状ヒーターに適用した場合に温度の均一分布化を図りやすいという実用的にメリットがある。また、波形面状カーボン発熱体２を並べる本数や間隔を増減することにより、ニーズに合わせてヒーター全体の発熱量や大きさを調整することができるため、この点においても実用的優位性が高い。
【００２２】
また、本実施形態における波形面状カーボン発熱体２は、カーボン紙におけるカーボン含有率が５０％以上、好ましくは約７５％のものを採用している。また、その波形の幅が２０ｍｍ〜３０ｍｍであって、波高が５０ｍｍ〜１５０ｍｍ以下に形成されている。波形形状は、前記数値範囲において要求される面状ヒーターの大きさに応じて調整される。また、波形面状カーボン発熱体２の幅および波高は、一波長分（一エレメント）の消費電力量が１０Ｗｈ〜２０Ｗｈとなるように形成されている。前記幅が２０ｍｍより小さいと電気抵抗が大きくなって発熱し難くなり、発熱効率が悪くなる。一方、３０ｍｍより大きいと波形形状が大きくなって電気抵抗が小さくなって発熱がし易くなり、発熱し過ぎる。また、波高が５０ｍｍより小さいと、直線形状に近くなって電気抵抗が小さくなり部分的に発熱し過ぎてしまい、１５０ｍｍより大きいと、電気抵抗が大きくなり過ぎて発熱し難くなり過ぎる。なお、波形面状カーボン発熱体２のカーボン密度、幅、波高は、上記の数値範囲に限定されるものではなく、使用目的に応じて適宜選択変更することができる。
【００２３】
面状カーボンヒーター１では、複数の波形面状カーボン発熱体２が並列に配置されている。本実施形態では、波形面状カーボン発熱体２の長さおよび配列数は、過熱による火傷や発火を防止するために、１ｍ２当たりの消費電力量が２００Ｗｈ以下となるように構成されている。
【００２４】
電極３は、導電性材料により形成されている。この電極３は、幅１２ｍｍ〜２０ｍｍ、厚さ約２５μｍ〜３５μｍ、本実施形態では厚さ約２５μｍの銅箔テープである。この電極３は、各列の波形面状カーボン発熱体２の両端部に連結されており、各列の波形面状カーボン発熱体２に電流を通電するようになっている。
【００２５】
なお、電極３は、銅箔に限定されるものではなく、アルミ箔、導電性高分子（ポリパラフェニレン、ポリアニリン、ポリチオフェン、ポリパラフェニレンビニレンなど多くの導電性高分子）等の導電性材料から適宜選択してもよい。
【００２６】
ラミネート層４は、導電材料からなる薄膜状の層である。本実施形態におけるラミネート層４は、図２に示すように、内側に導電性樹脂層４１が形成されているとともに、外側に導電性金属層４２が形成されている。具体的には、導電性樹脂層４１として厚さ約１５０μｍ〜２５０μｍ、本実施形態では厚さ約１５０μｍのポリエチレンテレフタレート等からなるポリエステルフィルムが用いられている。また、導電性金属層４２としてポリエステルフィルム等にアルミ粉末を蒸着させた厚さ約５０μｍ〜２５０μｍ、本実施形態では厚さ約２５０μｍのアルミ蒸着シートが用いられている。
【００２７】
なお、ラミネート層４は、導電性樹脂層４１および導電性金属層４２からなる２層のものに限定されるものではなく、導電性樹脂層４１または導電性金属層４２の少なくとも１層を有していればよい。また、導電性金属層４２は、アルミ蒸着シートに限定されるものではなくは、アルミを薄膜状に形成したアルミシートとしてもよい。さらに、導電性金属層４２として、アルミ蒸着シートやアルミシート等に代えて他の金属シートを使用してもよい。
【００２８】
本実施形態における面状カーボンヒーター１は、設置する面積等に応じて複数枚を並べて配置することができる。このとき、各面状カーボンヒーター１は、図３に示すように、電源５に対して、各面状カーボンヒーター１同士を電気的に直列配置にしてもよく、図４に示すように電気的に並列配置にしてもよい。
【００２９】
次に、本実施形態の面状カーボンヒーター１の製造方法について説明する。
【００３０】
面状カーボンヒーター１の製造方法は、片面ラミネート工程と、吸引固定工程と、カーボン発熱体カッティング工程と、電極作成工程と、両面ラミネート工程とを有する。
【００３１】
片面ラミネート工程は、面状カーボン紙の片面のみを導電性材料によりラミネートする工程である。具体的には、面状カーボン紙の片面にのみ接着材によって厚さ数十μｍ、例えば厚さ約２０μｍ〜２５μｍ、本実施形態では厚さ約２０μｍのポリエチレンテレフタレート等からなるポリエステルフィルムを接着している。なお、片面ラミネートの素材としては、ポリエステルフィルムに限定されるものではなく他の樹脂や他の素材を採用してもよいし、フィルムの厚さについても熱伝導に配慮しつつ必要に応じて変更してもよい。
【００３２】
吸引固定工程は、ラミネートされた片側面を複数の孔が形成された作業盤上に載置して当該作業盤の裏側からバキュームで吸引することにより、面状カーボン紙を固定する工程である。本実施形態では、図５に示すようなＸ−Ｙプロッター６を使用して面状カーボン紙のカッティングを行っており、このＸ−Ｙプロッター６の作業盤６１上にバキュームで吸引して固定している。このとき、ラミネートされた片面は通気性を有さないためバキュームによる固定が可能となる。
【００３３】
カーボン発熱体カッティング工程は、図６に示すように、前記面状カーボン紙を切断し、複数の波形面状カーボン発熱体２が並列配置されたはしごのように形成する工程である。本実施形態では、上述したように、Ｘ−Ｙプロッター６によって面状カーボン紙を切断する。当該面状カーボン紙はバキュームの吸引により作業盤６１上に強く固定されているため、曲線を有する複雑な波形であっても所望の幅および波高の形状に容易かつ正確に切断することができる。
【００３４】
電極作成工程は、図７に示すように、各波形面状カーボン発熱体２の両端部を導電性材料で連結して電極３を作成する工程である。本実施形態では、厚さ約２５μｍ〜３５μｍ、幅１２ｍｍ〜２０ｍｍの銅箔テープを各波形面状カーボン発熱体２の両端部のラミネートされていない方の片面に貼付する。
【００３５】
両面ラミネート工程は、銅箔テープが連結された各波形面状カーボン発熱体２の表裏面を導電性材料によりラミネートする工程である。本実施形態では、両面にラミネート層４として導電性樹脂層４１と導電性金属層４２が形成されている。導電性樹脂層４１としては約１５０μｍ〜２５０μｍ厚のポリエチレンテレフタレートフィルムを熱溶融させることによりラミネートする。また、導電性金属層４２としてポリエチレンテレフタレートフィルム等にアルミ粉末を蒸着させた厚さ約５０μｍ〜２５０μｍのアルミ蒸着シートを粘着材によって固定する。なお、導電性樹脂層４２をラミネートする場合には熱溶融によるラミネートに限定されるものではなく、接着剤等を使用するいわゆるコールドラミネートとしてもよい。
【００３６】
次に、本実施形態の面状カーボンヒーター１の作用について説明する。
【００３７】
本実施形態の面状カーボンヒーター１では、電源５から電極に１００Ｖの電流を流す。電流は、一方の電極３から波形に形成された複数の面状カーボン発熱体２を介して他方の電極３へと流れる。
【００３８】
各面状カーボン発熱体２では、電流の流れを妨げる抵抗となりこの抵抗により発熱する。このとき、各面状カーボン発熱体２では、面状カーボン発熱体２の幅および波高に応じた抵抗の調整が可能である。例えば、面状カーボン発熱体２の幅が広いほど抵抗は小さくなり、幅が狭いほど抵抗は大きくなる。また、面状カーボン発熱体２の波高が高いほど抵抗は大きくなり、波高が低いほど抵抗は小さくなる。よって、各面状カーボン発熱体２では、波形の形状を所望の発熱量に応じて選択することによって抵抗を調整することにより発熱温度の微調整が可能である。
【００３９】
このとき、本実施形態における面状カーボン発熱体２は、Ｘ−Ｙプロッター６によって、任意の幅および波高に形成することができるため、様々なパターンの波形形状を容易に作成することができる。また、発熱量を均一にすることもできるし、部分的に変化させることも可能である。
【００４０】
また、電流は、各面状カーボン発熱体２の抵抗によって熱へと変換されて消費される。本実施形態では、一波長分の消費電力量が１０Ｗｈ〜２０Ｗｈとなるように波形形状が定められている。また、波形面状カーボン発熱体２の長さおよび配列数は、１ｍ２当たりの消費電力量が２００Ｗｈ以下となるように構成されている。これにより、面状カーボンヒーター１は、常温に放置した状態において最大発熱温度が８０℃以下に保たれるようになる。
【００４１】
ラミネート層４における導電性金属層４２は、面状カーボンヒーター１の表面全体に熱を分散させる。これにより、各波形面状カーボン発熱体２が存在している部分の表面と各波形面状カーボン発熱体２が存在していない隙間部分の表面との温度差の不均衡が解消され、面状カーボンヒーター１の表面全体が均一に暖められる。
【００４２】
また、各波形面状発熱体２の隙間では、表裏面の導電性樹脂層４１同士が密着しているため、密着強度が増加し、剥がれにくく、耐久性が高い。
【００４３】
以上のような本実施形態の面状カーボンヒーター１および面状カーボンヒーターの製造方法によれば、以下の効果を得ることができる。
１．複数の面状カーボン発熱体２を任意の波形に形成することにより、発熱温度を微調整することができる。
２．予め、面状カーボン紙の片面のみを導電性材料によりラミネートすることにより、面状カーボン紙を安定的に固定することができ、容易に所望の幅および波高を有する波形に切断することができる。
３．ラミネート層４に導電性金属層４２を用いることにより、面状カーボンヒーター１の表面全体を均等に暖めることができる。
４．表裏面のラミネート層４の導電性樹脂層同士４１を相互に密着させることにより耐久性を高めることができる。
【実施例１】
【００４４】
実施例１は、面状カーボンヒーター１の応用例として多目的マットヒーター１ａに応用した例を示すものである。多目的マットヒーター１ａは、図８に示すように、導電性材料によるラミネート層４の下層側に防湿・断熱シート層７を設けているとともに、ラミネート層４の上層側には通気性のある通気性保護シート８が形成されている。
【００４５】
本実施例１における防湿・断熱シート層７には、厚さ３ｍｍの積水化学工業株式会社製のソフトロンを用いた。また、通気性保護シート８には、厚さ２ｍｍの不織布を用いた。
【００４６】
ラミネート層４の下層側に防湿・断熱シート層７を設けることにより、屋外および屋内を問わず様々な場所に置くことができる。また、ラミネート層４の上層側に通気性を有する不織布からなる通気性保護シート８を設けることにより、熱が不織布の隙間から上昇することができ、携帯用フットヒータ等としても利用することができる。
【実施例２】
【００４７】
実施例２は、面状カーボンヒーター１の応用例として岩盤足湯ヒーター１ｂに応用した例である。岩盤足湯ヒーター１ｂは、図９に示すように、導電性材料によるラミネート層４の下層側に通気性保護シート８および防湿・断熱シート層７が設けているとともに、ラミネート層４の上層側には岩盤９を設けている。
【００４８】
本実施例２における岩盤９には、ブラックシリカと粘土をブレンドして焼成した厚さ１７ｍｍの陶器板を用いた。これにより、面状カーボンヒーター１ｂは、波形面状カーボン発熱体２から発せられる遠赤外線のみならずブラックシリカから発せられる遠赤外線により、暖房効果を効果的に発揮することができる。また、お湯を使わないで岩盤浴ができるコンパクトサイズの足温ヒーターとして持ち運びにも便利である。
【実施例３】
【００４９】
実施例３は、面状カーボンヒーター１の応用例として段ボール１０に面状カーボンヒーター１を取り付けて段ボールヒーター１ｃに応用した例である。段ボールヒーター１ｃは、図１０に示すように、面状カーボンヒーター１の表裏面に段ボール１０の層が形成されている。
【００５０】
これにより、軽量で簡易に持ち運びや設置が可能となり、災害時の避難場所等において有用な暖房設備として用いることができる。
【実施例４】
【００５１】
実施例４は、面状カーボンヒーター１の応用例としてハンガーヒーター１ｄに応用した例である。本実施例４における面状カーボンヒーター１は、図１１に示すように、導電性材料によるラミネート層４の外側に通気性保護シート８が形成されているとともに、さらにその外側に複数の放熱孔が形成されているパンチング強化層１１が設けられている。前記パンチング強化層１１は、プラメタル等のアルミ複合板で構成されており、図１２に示すように、全面にわたって多数の放熱孔１２が形成されている。このハンガーヒーター１ｄは、豚舎や牛舎等の酪農用として天井や柱に吊り下げて使用することを目的としており、豚や牛が衝突等してもパンチング強化層１１によって保護されて破損しにくくなっているとともに、多数の放熱孔１２によって放熱性能も維持されている。このように畜舎で使用した場合、ランニングコストも低いため経済性もよく、自然環境にも配慮しているため実用性が高い製品となる。
【００５２】
なお、本発明に係る面状カーボンヒーターおよび面状カーボンヒーターの製造方法は、前述した実施形態に限定されるものではなく、適宜変更することができる。
【００５３】
例えば、図示しないが、面状カーボンヒーター１を立体的に組み立てて、立体状のヒーターを構成してもよい。
【符号の説明】
【００５４】
１  面状カーボンヒーター
２  面状カーボン発熱体
３  電極
４  ラミネート層
５  電源
６  Ｘ−Ｙプロッター
７  防湿・断熱シート層
８  通気性保護シート
９  岩盤
１０  段ボール
１１  パンチング強化層
１２  放熱孔
４１  導電性樹脂層
４２  導電性金属層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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