JP2017174609A

JP2017174609A - 高効率輻射ヒーター

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Publication number: JP2017174609A
Application number: JP2016058925A
Authority: JP
Inventors: 聡隅田; Satoshi Sumida; 松田　宏; Hiroshi Matsuda; 宏松田; 尚久太田; Naohisa Ota
Original assignee: Lixil Corp
Current assignee: Lixil Corp
Priority date: 2016-03-23
Filing date: 2016-03-23
Publication date: 2017-09-28
Anticipated expiration: 2036-03-23
Also published as: JP6753677B2

Abstract

【課題】複雑な構造や制御を要することなく輻射の波長を任意の波長に制御できる高効率輻射ヒーターを提供すること。【解決手段】少なくとも１種類の形状の孔３１１が配列されてなる、キャビティ構造３１を表面に有する輻射体３を備え、キャビティ構造３１は、赤外領域の波長の輻射を増幅する輻射ヒーター１。キャビティ構造３１の少なくとも表面は金属で被覆され、輻射体３は導電性を有し、孔３１１の形状は角孔状であることが好ましい。【選択図】図１

Description

本発明は、高効率輻射ヒーターに関する。

従来、輻射により被加熱物を加熱する輻射ヒーターに関し、輻射される赤外線の波長を制御し、人体等の被加熱物に吸収されやすい特定波長の赤外線を輻射の主波長とすることで、輻射ヒーターの効率を向上させる技術が提案されている。

上記のような輻射ヒーターとしては、例えば、輻射体であるフィラメントの外周を石英ガラス等で被覆し、石英ガラス等を特定波長以上の波長の赤外線を吸収するローパスフィルタとして用いる輻射ヒーターが提案されている（例えば、後述の特許文献１参照）。

特許４７９００９２号公報

特許文献１に記載された輻射ヒーターは、ローパスフィルタとして用いる石英ガラス等自体が昇温して輻射体となり、特定波長以上の波長の赤外線が二次放射される問題がある。そのため、石英ガラス等を冷却するため管を二重構造とし、間に流体を流して冷却する必要があり、構造が複雑となるだけでなく複雑な制御を行う必要がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、複雑な構造や制御を要することなく輻射の波長を任意の波長に制御できる高効率輻射ヒーターを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、少なくとも１種類の形状の孔（例えば、後述の孔３１１）が配列されてなる、キャビティ構造（例えば、後述のキャビティ構造３１）を表面に有する輻射体（例えば、後述の輻射体３）を備え、前記キャビティ構造は、赤外領域の波長の輻射を増幅する輻射ヒーターを提供する。

前記キャビティ構造の少なくとも表面は金属で被覆されることが好ましい。

前記輻射体は、導電性を有することが好ましい。

前記孔の形状は、角孔状であることが好ましい。

前記キャビティ構造は、３μｍの波長及び６μｍの波長のうち少なくともいずれか１種の波長の輻射を増幅することが好ましい。

前記キャビティ構造は１種類の形状の孔が配列されてなることが好ましい。

前記キャビティ構造を有する輻射体は、シート状であることが好ましい。

本発明によれば、複雑な構造や制御を要することなく輻射の波長を任意の波長に制御できる高効率輻射ヒーターを提供できる。

本発明の一実施形態に係る輻射ヒーターを模式的に示す図である。本発明の一実施形態に係るキャビティ構造を模式的に示す図である。本発明の一実施形態に係るキャビティ構造の共振のモードを模式的に示す図である。本発明の一実施形態に係る輻射ヒーターによる輻射のスペクトルと、従来の輻射ヒーターによる輻射のスペクトルを模式的に比較したグラフである。

以下、本発明の好ましい一実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されない。

＜輻射ヒーター＞
本実施形態に係る輻射ヒーターは、例えば人体等の被加熱物を加温するために用いられる。具体的には、例えば、パネルヒーター、床暖房、壁紙、炬燵等として用いられる。
図１に示すように、本実施形態に係る輻射ヒーター１は、本体部２と、輻射体３と、電源装置４と、を備える。

本体部２は、輻射体３を収容可能な構造を有する。本体部２の材質や形状については特に制限されないが、加熱される輻射体３を収容するため、金属や耐熱性樹脂等、一定の耐熱性を有する材質により構成されることが好ましい。

輻射体３は、後述する電源装置４により直接あるいは間接に通電加熱されることで一定の波長領域を有する赤外線（電磁波）を輻射する。該赤外線が被加熱物に吸収されることで被加熱物が加温される。被加熱物としては、例えば人体が挙げられる。
ここで、人体が温感を良く感じることができる赤外線の波長、即ち人体への吸収率の高い赤外線の波長は、例えば３μｍや６μｍ付近の波長であることが知られている。従って、そのような特定波長の輻射率を増幅することで、輻射ヒーター１の効率を向上させることができる。

輻射体３の材質としては、特に制限されず、一定の耐熱性を有する材質であればよい。このような材質としては、例えば、金属、セラミックス、耐熱性樹脂等が挙げられる。但し、輻射体３の加熱方式を、輻射体３に直接通電して加熱する直接抵抗加熱とする場合、輻射体３としては一定の導電性及び抵抗率を有する金属やセラミックスを用いることが好ましい。輻射体３の加熱方式として直接抵抗加熱を用いる場合、高い加熱効率が得られる。
また、輻射体３の加熱方式を、他の輻射体に通電して輻射体３を加熱する間接抵抗加熱とする場合、輻射体３の材質は導電性や抵抗率を有するものに限定されず、樹脂等を輻射体３の材質として用いる事ができるため、後述のキャビティ構造３１を輻射体３に容易に形成することができる。

輻射体３の形状としては、特に制限されないが、輻射体３の加熱方式を他の輻射体により加熱する間接抵抗加熱とする場合、輻射体３をシート状とすることで、容易に他の輻射体と組み合わせて用いることができる。

また、輻射体３は、キャビティ構造３１を表面に有する。
キャビティ構造３１は、特定波長の電磁波を共振により増幅させ輻射する孔３１１が多数配列された構造である。
図２は、キャビティ構造３１を模式的に示す図である。図２に示す通り、キャビティ構造３１は、孔３１１と、壁部３１２とを有する。図２中、Ｌ_Ｘ及びＬ_Ｙは孔３１１の開口部の一辺の長さをそれぞれ示し、Ｌ_Ｚは孔３１１の深さ方向の長さを示す。かかる孔３１１により、特定波長の電磁波が共振により増幅され、孔３１１の開口部から輻射される。従って、輻射体３の、孔３１１の開口部が設けられた面を特定波長の吸収率が高い被加熱物に向けることで、被加熱物を効率よく加温することができる。換言すれば、輻射体３において、キャビティ構造３１は被加熱物に向けられる面にのみ形成されていればよい。

孔３１１の形状は、特定波長の共振が起こり得る形状であれば特に制限されず、例えば丸孔状であってもよい。しかし、孔３１１を密に配列することができ、また、後述する特定波長を増幅するための形状設計が容易であることから、図２に示すような角孔状であることが好ましい。

図３は、キャビティ構造３１の共振のモードを模式的に示す図である。図３に示すように、孔３１１においては、αで示す１次共振の他に、δで示す２次共振や、θで示す３次共振等、様々なモードで共振が起こる。孔３１１の形状に基づく共振波長λは、以下の式（１）によって示される。

（式（１）中、ｎ_Ｘ、ｎ_Ｙ、ｎ_Ｚは、孔３１１のそれぞれの方向に対応するモードナンバーを示す整数である。）

ここで、最も輻射率が増幅する共振波長のモードは、（ｎ_Ｘ、ｎ_Ｙ、ｎ_Ｚ）が（１，０，０）又は（０，１，０）である。従って、上記のモード時に共振波長が特定波長となるよう、孔３１１のＬ_Ｘ、Ｌ_Ｙ、Ｌ_Ｚを設計することで、特定波長の輻射率の増幅効果が高いキャビティ構造３１が得られる。

本実施形態に係るキャビティ構造３１において、２種類以上の孔を設ける場合、その形状設計方法は特に制限されないが、上記Ｌ_Ｘ、Ｌ_Ｙ、Ｌ_ＺのうちＬ_Ｚを一定とし、Ｌ_Ｘ、Ｌ_Ｙを変更して複数種類の孔を設計することが、キャビティ構造３１の製造工程を簡易化できるため好ましい。

孔３１１のＬ_Ｚ、即ち深さ方向の長さは、径方向の長さであるＬ_Ｘ、Ｌ_Ｙに対し一定以上の長さを有することが好ましい。具体的には、Ｌ_ＺはＬ_Ｘ、Ｌ_Ｙの平均値に対し０．５倍以上の長さであることが好ましい。Ｌ_Ｘ、Ｌ_Ｙに対しＬ_Ｚが小さすぎる場合、回折現象により、特定波長の輻射率の好ましい増幅効果が得られない。

孔３１１同士の間隔である壁部３１２の厚みは、キャビティ構造３１の十分な耐久性を確保できる限りにおいて小さい方が好ましい。キャビティ構造３１において、孔３１１においては特定波長の輻射率の増幅が起こるが、壁部３１２においては特定波長の輻射率の増幅は起こらず、通常の材料に由来する輻射が起こる。そのため、壁部３１２の厚みを小さくし、即ち孔３１１同士の間隔を密にして、孔３１１の開口部の面積割合を増大させることで、特定波長の輻射率の増幅効果をより高めることができる。

孔３１１において共振が起こる条件は、孔３１１で図３に示すような電磁波の反射が起こることである。従って、孔３１１が配列されるキャビティ構造３１の少なくとも表面は電磁波の反射率が高い金属等で被覆されていることが好ましい。このような金属等としては特に制限されないが、例えば、金、銀、銅、アルミ、チタン等の金属を用いる事ができる。金属の被覆方法としては特に制限されず、例えば、めっき法、蒸着法、スパッタリング法等、公知の方法を用いる事ができる。

図４は、従来のキャビティ構造を有さない輻射体の輻射スペクトル（図４上「Ａ」で示す）と、本実施形態に係る、キャビティ構造を有し、増幅される特定波長を３μｍとして設計した輻射体の輻射スペクトル（図４上「Ｂ」で示す）を模式的に比較したグラフである。図４上、縦軸は輻射強度（単位は任意単位Ａ．Ｕ．）を示し、横軸は波長（単位はμｍ）を示す。

図４に示す通り、本実施形態に係る輻射体の輻射スペクトルは、従来のキャビティ構造を有さない輻射体の輻射スペクトルに対し、特定波長である３μｍの輻射強度が増幅されている。また、特定波長である３μｍ以上の波長領域における輻射強度は減衰している。従って、本実施形態に係る輻射体においては、不要な長波長領域の輻射エネルギーが特定波長の輻射エネルギーに転換されている。このため本実施形態に係るキャビティ構造を有する輻射体は、高いエネルギー効率を有する。
また、輻射体の温度を低下させ、輻射スペクトルが長波長側にシフトした場合であっても、特定波長の輻射を増幅できるため、従来の輻射体を用いた場合と同等の効果が得られると考えられる。このため、輻射体の低温化が可能となり、輻射体の材料選択の余地が高まると考えられる。

電源装置４は、輻射体３に通電する装置である。電源装置４によって通電された輻射体３は、内部抵抗によりジュール熱を発生し加熱され、一定温度に達すると一定の波長領域を有する赤外線（電磁波）を輻射する。
電源装置４は、輻射体３に通電可能な装置であれば特に制限されない。また、電源装置４による加熱方式は輻射体３に直接通電して加熱する、直接抵抗加熱を用いた加熱方式には限定されず、間接抵抗加熱を用いた加熱方式としてもよい。例えば、シート状の輻射体３を既存のパネルヒーター等の輻射ヒーターに貼り付ける等して輻射体３を加熱してもよい。
その他、電源装置４による誘導加熱や誘電加熱により輻射体３を加熱してもよい。

＜輻射体３の製造方法＞
キャビティ構造３１を表面に有する輻射体３の製造方法としては、特に制限されないが、例えばフォトリソグラフィによる方法が挙げられる。フォトリソグラフィによるキャビティ構造３１の形成方法を以下に例示する。

まず、輻射体３の基材表面に感光物質（レジスト）をスピンコート等により均一に塗布し、乾燥させた後、孔３１１の開口部形状（Ｌ_Ｘ、Ｌ_Ｙ）に対応する所望のパターンで露光するパターニングを行う。
次に、不要箇所のレジストを現像液により除去する。
次に、レジストが除去された箇所をドライエッチング、ウェットエッチング等によりエッチングする。この際のエッチング条件により、孔３１１のＬ_Ｚを調整できる。
エッチング後、基材上に残ったレジストを除去することにより、キャビティ構造３１を表面に有する輻射体３が得られる。

上記工程後、必要に応じてスパッタリング法等により、輻射体３の表面を金属で被覆する。以上により、キャビティ構造３１を表面に有する輻射体３を製造できる。

以上、本実施形態に係る輻射ヒーターによれば、以下のような効果を奏する。

本実施形態に係る輻射ヒーター１は、少なくとも１種類の形状の孔３１１が配列されてなる、キャビティ構造３１を表面に有する輻射体３を備える。
これにより、輻射ヒーター１を、被加熱物に吸収されやすい特定波長の輻射を、輻射体のキャビティ構造により増幅し、かつ特定波長以上の輻射を減衰するものとすることができるため、複雑な構造や制御を要することなく輻射の波長を任意の波長に制御できる高効率輻射ヒーター１が得られる。

また、キャビティ構造３１の少なくとも表面は金属で被覆される。
これにより、キャビティ構造３１により共振が起こりやすくなるため、より確実に特定波長の輻射の増幅と、特定波長以上の輻射の減衰が起こる輻射ヒーター１が得られる。

また、輻射体３は導電性を有する。
これにより、輻射体３の加熱方式を加熱効率の高い直接抵抗加熱とすることができる。

また、孔３１１の形状は角孔状である。
これにより、キャビティ構造３１において孔３１１を密に配列することができるため、特定波長の輻射の増幅効果が増大する。また、孔３１１の形状設計が容易となる。

また、キャビティ構造３１は、３μｍの波長及び６μｍの波長のうち少なくともいずれか１種の波長の輻射を増幅する。
これにより、輻射ヒーター１の被加熱物が人体である場合において、人体に吸収されやすい３μｍや６μｍの波長の赤外線の輻射を増幅できるため、高効率な輻射ヒーター１が得られる。

また、キャビティ構造３１は１種類の形状の孔３１１が配列されてなる。
これにより、キャビティ構造３１において孔３１１を更に密に配列することが可能となるため、特定波長の輻射の増幅効果が更に高い輻射ヒーター１が得られる。

また、キャビティ構造３１を表面に有する輻射体３は、シート状である。
これにより、キャビティ構造３１を表面に有する輻射体３を、既存の輻射ヒーターと組み合わせて用いる事ができ、既存の輻射ヒーターの効率を高めることができる。また、輻射体３への直接の通電を要しないため、輻射体３は導電性を有するものに限定されず、輻射体３の材料選択の余地を高めることができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良は本発明に含まれる。

例えば、上記実施形態においては、輻射ヒーター１を、電源装置４によって輻射体３に直接又は間接に通電等して加熱するものとして説明したが、本発明において輻射体の加熱方式は電気を加熱源とするものには限定されず、燃料を加熱源とするものであってもよい。例えば、燃料によって加温した流体等により輻射を行う床暖房や壁暖房等を、本発明に係る輻射体を備えるものとして構成してもよい。

また、上記実施形態においては、輻射ヒーター１を、輻射体３を収容する箱状の本体部２を有するものとして説明したが、これに限定されない。例えば、床暖房や壁暖房等のように輻射体３の収容部は建物等に固定されたものであってもよい。

また、本実施形態においてはキャビティ構造を有する輻射体３の製造方法を、フォトリソグラフィを用いた方法として説明したが、これに限定されない。キャビティ構造を有する輻射体の製造方法としては、輻射体表面に微細パターンを形成できる公知の方法を用いる事ができる。例えば、ナノインプリント法やモールドを用いた射出成型等により、キャビティ構造を輻射体表面に形成してもよい。

１輻射ヒーター
３輻射体
３１キャビティ構造
３１１孔

Claims

少なくとも１種類の形状の孔が配列されてなる、キャビティ構造を表面に有する輻射体を備え、
前記キャビティ構造は、赤外領域の波長の輻射を増幅する輻射ヒーター。
前記キャビティ構造の少なくとも表面は金属で被覆される請求項１に記載の輻射ヒーター。
前記輻射体は、導電性を有する請求項１又は２に記載の輻射ヒーター。
前記孔の形状は、角孔状である、請求項１から３いずれかに記載の輻射ヒーター。
前記キャビティ構造は、３μｍの波長及び６μｍの波長のうち少なくともいずれか１種の波長の輻射を増幅する、請求項１から４いずれかに記載の輻射ヒーター。
前記キャビティ構造は１種類の形状の孔が配列されてなる、請求項１から５いずれかに記載の輻射ヒーター。
前記キャビティ構造を有する輻射体は、シート状である請求項１から６いずれかに記載の輻射ヒーター。