(57)【要約】【課題】  省電力でより高温になり、温度分布が均一し、接線（通電するときの線）が安定したヒータ及びヒータシステムを提供することを目的とする。【解決手段】ヒータ（１００）は、複数の炭素繊維（ＣＦ）と、複数の炭素繊維（ＣＦ）同士を平行に密着させるように束ねる束縛体（１１）と、束縛体（１１）により束ねられた複数の炭素繊維（ＣＦ）を被覆する被覆カバー（１２）とを備える。複数の炭素繊維は、ピッチ（ＰＩＴＣＨ）系である。束縛体（１１）は、螺旋状に複数の炭素繊維（ＣＦ）の周囲を回転して束ねている。【選択図】  図１
2011181311.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の炭素繊維と、
前記複数の炭素繊維同士を平行に密着させるように束ねる束縛体と、
前記束縛体により束ねられた前記複数の炭素繊維を被覆する被覆カバーと、
を備えることを特徴とするヒータ。
【請求項２】
前記複数の炭素繊維は、ピッチ（ＰＩＴＣＨ）系であることを特徴とする請求項１に記載のヒータ。
【請求項３】
前記束縛体は、螺旋状に前記複数の炭素繊維の周囲を回転して束ねることを特徴とする請求項１又は２に記載のヒータ。
【請求項４】
前記複数の炭素繊維は、１２,０００本である請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のヒータ。
【請求項５】
前記被覆カバーにより被覆された前記複数の炭素繊維の両端に設けられ、
前記複数の炭素繊維に給電する給電部を備える請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のヒータ。
【請求項６】
複数の炭素繊維を用意する第１工程と、
前記複数の炭素繊維同士を平行に密着させるように束縛体で束ねる第２工程と、
前記束縛体により束ねられた前記複数の炭素繊維を被覆カバーで被覆する第３工程と、
を含むことを特徴とするヒータの製造方法。
【請求項７】
前記被覆カバーにより被覆された前記複数の炭素繊維の両端に前記複数の炭素繊維に給電する給電部を形成する第４工程を含む請求項６に記載のヒータの製造方法。
【請求項８】
請求項１から請求項５に記載のヒータと、
前記ヒータに電源を供給する電源部と、
前記ヒータの周囲の温度を検出する検出部と、
前記検出部の検出結果に基づいて、前記電源部から供給される電圧を制御する制御部と、
を備えることを特徴とするヒータシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭素繊維を発熱体として用いたヒータ及びヒータシステムに関する。
【０００２】
炭素繊維を発熱体とするヒータは、耐熱性および耐熱衝撃性に優れ、さらに赤外線放射率が高いので、家庭用調理器、暖房器または工業用加熱装置等に利用されている。
【０００３】
特許文献１に開示されたヒータは、複数（２０,０００〜５０,０００）本の炭素繊維を束ねることなくそのまま炭素繊維を丸めてその表面に耐熱材（例えば耐熱ビニル）の皮膜を施したものである。
【特許文献１】実用新案登録第３１２０２２２号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献１に開示されたヒータは、炭素繊維同士が確実に密着されていないため、有効発熱量に対する電気消費量が大きい。また、一本一本の炭素繊維を見てみると、ヒータの長さ全体でつながっておらず破断していることが多い。このため通電する際に炭素繊維同士の通電が不安定になるおそれもある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、有効発熱量に対する電気消費量が小さく、通電が安定したヒータ及びヒータシステムを提供することを目的とする。また、本発明のヒータ及びヒータシステムは少なき電気消費量で、高い温度を発熱させることを目的とする。
【０００６】
第１の観点のヒータは、複数の炭素繊維と、複数の炭素繊維同士を平行に密着させるように束ねる束縛体と、束縛体により束ねられた複数の炭素繊維を被覆する被覆カバーとを備える。
このような構成によれば、ヒータは複数の炭素繊維同士が束縛体により密着されているので、より低い電気消費量でより高い温度になることができる。
【０００７】
第２の観点のヒータにおいて、複数の炭素繊維はピッチ（ＰＩＴＣＨ）系である。
ピッチ系炭素繊維は別のＰＡＮ系炭素繊維などの炭素繊維と比べれば、炭素含有量がより多い、放射率、熱伝導率及び電気伝導率に優れる。このため、ピッチ系炭素繊維に通電する際、より強い炭素繊維の格子振動が行えるので、遠赤外線の放射量に優れる。
【０００８】
第３の観点のヒータにおいて、束縛体は螺旋状に複数の炭素繊維の周囲を回転して束ねる。
【０００９】
第４の観点のヒータにおいて、複数の炭素繊維は１２,０００本である。
【００１０】
第５の観点のヒータは、被覆カバーにより被覆された複数の炭素繊維の両端に設けられ、複数の炭素繊維に給電する給電部を備える。
ヒータは両端に設けられた給電部を電源に接続することで、炭素繊維に有している炭素原子が格子振動を行い、炭素繊維が高温になることにより遠赤外線を放射することができる。
【００１１】
第６の観点のヒータの製造方法は、複数の炭素繊維を用意する第１工程と、複数の炭素繊維同士を平行に密着させるように束縛体で束ねる第２工程と、束縛体により束ねられた複数の炭素繊維を被覆カバーで被覆する第３工程とを含む。
このような製造方法によれば、有効発熱量に対する電気消費量が小さく、通電する際に接線が安定したヒータが製造できる。
【００１２】
第７の観点のヒータの製造方法は、被覆カバーにより被覆された複数の炭素繊維の両端に複数の炭素繊維に給電する給電部を形成する第４工程を含む。
【００１３】
第８の観点のヒータシステムは、第１観点から第５観点に記載のヒータと、ヒータに電源を供給する電源部と、ヒータの周囲の温度を検出する検出部と、検出部の検出結果に基づいて、電源部から供給される電圧を制御する制御部と、を備える。
【発明の効果】
【００１４】
本発明は、有効発熱量に対する電気消費量が小さく、通電が安定したヒータ及びヒータシステムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】（ａ）は、ヒータ１００の部分斜視図である。  （ｂ）は、ヒータ１００の断面図である。
【図２】黒鉛の結晶構造を示した図である。
【図３】黒体の放射エネルギーと波長との関係を示したグラフである。
【図４】（ａ）は、炭素繊維束１０の両端部に圧着端子１３が形成されたヒータ１００の全体斜視図である。  （ｂ）は、（ａ）の破線Ｂで囲まれた部分の側面図である。
【図５】（ａ）は、第２シミュレーションを行う保温パッケージＰＫの側面図である。  （ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ断面図である。
【図６】ヒータ１００の製造方法を示したフローチャートである。
【図７】融雪システムＴＳの全体構成を示した図である。
【図８】電源の種類を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
＜ヒータ１００の構成＞
ヒータ１００の構成について、図１を参照しながら説明する。図１（ａ）はヒータ１００の部分斜視図であり、図１（ｂ）はヒータ１００の断面図である。なお、図１（ａ）はヒータ１００の両端に形成される一対の給電部（図４で説明）を示していない部分斜視図である。また、炭素繊維ＣＦが伸びた方向をＺ軸方向とし、そのＺ軸に垂直の平面をＸＹ平面とする。
【００１７】
図１（ａ）に示されたように、ヒータ１００はＺ軸方向に沿って伸びた細長い円柱体である。ヒータ１００は、１２,０００本の炭素繊維ＣＦを束縛体１１により平行に束ねて形成された炭素繊維束１０を中心とし、その外側に耐熱絶縁材料から構成された被覆カバー１２を被覆して形成されたものである。
【００１８】
ここで、束縛体１１は１２,０００本の炭素繊維ＣＦの外周を螺旋状に回転しながら束ねている。束縛体１１のＺ軸方向のピッチＰはたとえば７ｍｍである。図１（ａ）では、説明をしやすくするために束縛体１１が炭素繊維ＣＦを４回しか束縛しないように描かれているが、実際には長さによって数十、数百回束縛する。これにより、１２,０００本の炭素繊維ＣＦは束縛体１１でより高い密着度で密着されている。
【００１９】
束縛体１１としては、ポリエステル繊維より構成された糸が用いられる。具体的には、束縛体１１としてポリエステル系合成繊維の「テトロン」（登録商標）が用いられている。その他に、ポリウレタン系、ポリプロピレン系、ポリビニルアルコール系、ポリエチレンテレフタラート系などの細くて丈夫な合成繊維でもよい。また伸縮性のあるゴム系の糸が用いられてもよい。さらにアラミド繊維が用いられてもよい。ゴム系の束縛体１１であれば、ヒータ１００を曲げる際に容易に屈曲させることができる。
【００２０】
さらに、１２,０００本の炭素繊維ＣＦは平行な状態で束縛体１１により束ねられている。炭素繊維ＣＦは捩られていない。炭素繊維ＣＦを捩じらせるとその炭素繊維ＣＦ同士の一部は高い密着度で密着するが他の一部は膨らんでしまい密着度が低くなる。つまり１２,０００本の炭素繊維ＣＦの一部に空間を生じて密着できない箇所が生じる。このため、１２,０００本の炭素繊維ＣＦは平行な状態で束ねられる。また、炭素繊維ＣＦを所定の力以上に捩じると、炭素繊維ＣＦが切れて断線することもある。また、炭素繊維束１０は、束縛体１１により密着させたので、ヒータ１００は引っ張り強度が非常に強くなる。
【００２１】
また、図１（ａ）ではヒータ１００が円柱体に描かれているが、屈曲自由なものである。たとえば、束縛体１１のピッチＰがたとえば３ｍｍ以下になると束縛体１１の拘束によりヒータ１００は屈曲しにくくなる。その一方、束縛体１１のピッチＰがたとえば１２ｍｍ以上になると高い密着度で密着されることが困難になる。このため、１２,０００本の炭素繊維ＣＦを「テトロン」（登録商標）の束縛体１１によって束ねる際には、そのピッチＰが５ｍｍ~１０ｍｍ程度が好ましい。
【００２２】
図１（ｂ）に示されたように、ヒータ１００の中心に形成された炭素繊維束１０の直径φ１は１．４ｍｍ程度であり、ヒータ１００の外径φ２は３．０〜７．４ｍｍ程度である。また、束縛体１１の直径φ３は０．２~０．４ｍｍ程度である。被覆カバー１２の厚さｒは、０．８〜５．０ｍｍ程度である。
【００２３】
ヒータ１００は、ヒータ１００が使用される状況に応じて、被覆カバー１２の材料及び厚さｒを調整することが好ましい。たとえば、ヒータ１００と被加熱体とが直接接触して「伝導伝熱」により被加熱体に熱を伝える場合には、被覆カバー１２は遠赤外線に対して吸収率が高い材料でより厚く（３ｍｍ程度以上）形成することが好ましい。たとえば吸収率が高い材料は、炭素などを配合した被覆カバー１２などである。被覆カバー１２が遠赤外線に対して吸収率が高く厚い場合には、炭素繊維束１０から放射する遠赤外線が被覆カバー１２内に蓄積され被覆カバー１２の温度が向上する。このため、被覆カバー１２に直接接触した被加熱体に被覆カバー１２の熱が伝わる。
【００２４】
また、被加熱体と離れて「放射伝熱」により伝熱する場合には、被覆カバー１２は遠赤外線に対して透過率が高い材料でより薄く（０．８ｍｍ程度）形成することが好ましい。すると、炭素繊維束１０から放射する遠赤外線が被覆カバー１２を透過して被加熱体に伝わりやすくなる。
【００２５】
以下、炭素繊維ＣＦについて説明する。まず、炭素繊維ＣＦから説明する。図２は、隣り合う２本の炭素繊維ＣＦの結晶構造を示した概念図である。炭素繊維ＣＦは図２に示された黒鉛の結晶構造を基本構造とする。
【００２６】
図２では、模式的に２本の炭素繊維ＣＦが描かれている。１本の炭素繊維ＣＦの直径φ４は１２〜１８ミクロンである。また、１本の炭素繊維ＣＦの構造は炭素原子Ｃが繊維方向に規則正しく並んだ網目構造であり、複数の層（例えばＭ１、Ｍ２、Ｍ３及びＭｎ）が何段も重なり絡みあっている。
【００２７】
黒鉛の結晶は炭素原子Ｃより構成され、炭素原子Ｃは通常に距離Ｄ１の六角形環を形成し、ここでＤ１は例えば１．４２１Åである。また、六角形環は均等な間隔Ｄ２で積み重ねられ、ここでＤ２は例えば３．３５４Åである。さらに、黒鉛は六方晶形と呼ばれる結晶構造をしているが、六角形環はいずれの層（例えばＭ１、Ｍ２、Ｍ３及びＭｎ）でも炭素原子は規則正しい六角系の中間に存在している。すなわち、第１層Ｍ１と第ｎ層Ｍｎとに関した垂直の軸が同じ位置を貫いている。
【００２８】
図２に示されたような構成により炭素繊維ＣＦは導電性を有している。芳香族を構成する六角形環（ベンゼン核）を取り巻く電子はπ電子と呼ばれる。π電子はベンゼン核を構成する炭素のどれかに属するのではなく、自由に動いている。このベンゼン核が縮合したのが芳香族面であるため、この層内であればπ電子はどこにでも移動することができる。言い換えれば、この構造に対して電位差を与えればその間で電子は流れる。
【００２９】
一方、熱はπ電子ではなくて、結晶中の原子（格子）が振動することによって伝えられる。黒鉛結晶構造の層Ｍ１〜Ｍｎのように整然とした構造の場合にはその層Ｍ１〜Ｍｎに沿った方向のように振動がよく伝わる。炭素繊維ＣＦが熱の良導体となるは黒鉛結晶構造の層Ｍ１〜Ｍｎに沿った格子振動をするからである。
【００３０】
また、炭素繊維ＣＦはそれに電流を流すと炭素原子Ｃが上述のように格子振動することにより温度が上昇し、その温度に応じたエネルギーを電磁波の形で放射する。電磁波は、波長が４μｍ〜１４μｍ（４０００ｎｍ~１４０００ｎｍ）の遠赤外線であればよい。そして、遠赤外線の周波数は、プラスチックス、塗料、繊維、木材、食品や人間を含む動物を形成している分子の振動と合うので、これらの物質に照射された遠赤外線は吸収され、構成要素である分子の振動を活発にして、温度を上昇させる。
【００３１】
図１を使って説明したように、炭素繊維束１０は束縛体１１により密着させている。図２においても１本の炭素繊維ＣＦと１本の炭素繊維ＣＦとができるだけ密着することが好ましい。すなわち、図２の２本の炭素繊維ＣＦの距離Ｓが小さいほど、一本の炭素繊維ＣＦの熱の振動がもう１本の炭素繊維ＣＦに伝わる。これは、例えば炭素繊維ＣＦ１の炭素層Ｍｎの炭素原子Ｃの格子振動により放射される電磁波と炭素繊維ＣＦ２の炭素層Ｍ１の炭素原子Ｃの格子振動により放射される電磁波とが互いに影響を与えるからである。このように、ヒータ１００は、炭素繊維束１０を束縛体１１で密着させた方が発熱性に優れる。
【００３２】
また、一般に、炭素繊維ＣＦの種類はピッチ（ＰＩＴＣＨ）系炭素繊維とＰＡＮ系炭素繊維とに分けられる。
ここで、ピッチ系炭素繊維は、紡糸法の違いにより長繊維タイプと短繊維タイプがあり、原料ピッチの違いにより、等方性（難黒鉛化性）と異方性（易黒鉛化性）がある。等方性ピッチ系短繊維は、一般的に密度１．６ｇ／ｃｍ３の直径１２〜１８ミクロンの短繊維で、繊維軸に沿った炭素の配向構造が弱く、黒鉛結晶の発達も少ないため、弾性率（〜４０ＧＰａ）、強度、熱伝導率が低い性質をもっている。ただし、軽量、耐薬品性、耐熱性、摺動性などの特性から、広く産業分野で利用されている。
【００３３】
一方、ＰＡＮ系炭素繊維は引張弾性率の範囲で汎用タイプ（〜２４０ＧＰａ：ＨＴ）、中弾性タイプ（〜３００ＧＰａ：ＩＭ）、高弾性タイプ（３５０ＧＰａ〜：ＨＭ）に分類される。また、ＰＡＮ系炭素繊維は一般的に密度１．７４〜１．９５ｇ／ｃｍ３の直径５〜７ミクロンの長繊維（フィラメント）の集合体である。その低密度、高比強度、高比弾性率を生かして航空機、スポーツ・レジャー分野で多く使われる。
【００３４】
表１では、ピッチ系炭素繊維とＰＡＮ系炭素繊維とを比較している。
【表１】
2011181311.tif 000003
【００３５】
表１に示されたように、ピッチ系炭素繊維の炭素含有量はほぼ１であり、ＰＡＮ系炭素繊維の炭素含有量より大きい。また、放射率においてもピッチ系炭素繊維はほぼ１であり、ＰＡＮ系炭素繊維の放射率９２％より大きい。ここで、放射率としては、ある温度の物質の表面から放射するエネルギーと、同温度の黒体（放射で与えられたエネルギーを１００％吸収する仮想物体）から放射するエネルギー量との比率である。すなわち、ピッチ系炭素繊維はＰＡＮ系炭素繊維より有効に与えたエネルギーを相手に放射伝熱することができる。さらに、ピッチ系炭素繊維はＰＡＮ系炭素繊維と比べると、熱伝導率及び電気伝導率にも優れる。このため、炭素繊維に通電する際、炭素含有量が大きいピッチ系炭素繊維はＰＡＮ系炭素繊維より格子振動が強く放射伝熱に優れるので、ヒータ１００には炭素繊維ＣＦとしてピッチ系炭素繊維が用いられる。
【００３６】
図３は、黒体の放射エネルギーと波長との関係を示したグラフである。ここで、黒体は外部から入射する熱放射などを、あらゆる波長に渡って完全に吸収し、また放出できる仮想物体である。説明のとおり図３は仮想物体のグラフであるので、実際の炭素繊維ＣＦに対する放射エネルギーと波長との関係グラフは、同じ温度での放射エネルギーは図３に示したグラフより小さい。以下、図３に基づいて放射エネルギーと波長との関係を説明する。
【００３７】
例えば、人間の平均体温は３６．５℃、すなわち３０９．６５Ｋである。図３に示されたように温度が３０９．６５Ｋである際、遠赤外線の波長が１０μｍ（１００００ｎｍ）程度でその放射エネルギーはピークとなる。つまり、ヒータ１００を人間の体に用いようとすれば、それを流れる電流を調整して１０μｍの波長の遠赤外線を放射させることが好ましい。その他、ヒータ１００は必要な温度において、対応される波長の遠赤外線を放射させることができる。これにより、保温又は融雪などの様々な役割をする。
【００３８】
ヒータ１００は、上述の炭素繊維ＣＦ、束縛体１１及び被覆カバー１２の以外に、炭素繊維束１０の両端部に接続される一対の給電部を有している。ここで、給電部の一例として丸型の圧着端子１３について説明する。
図４（ａ）は、炭素繊維束１０の両端部に圧着端子１３が形成されたヒータ１００の全体斜視図である。図４（ａ）はヒータ１００の両端部の給電部を説明するための図であるので、中央部（図１を参照）を省略する。図４（ｂ）は、図４（ａ）の破線Ｂで囲まれた部分の側面図である。
【００３９】
図４（ａ）に示されたように、圧着端子１３は接続部１３１及び圧着部１３２より構成されている。接続部１３１は、電気設備の端子盤にネジ止めするように貫通穴１３３を備えている。圧着部１３２は、圧着工具（図示しない）によって炭素繊維ＣＦを強固に固定されるものである。
【００４０】
また、図４（ｂ）に示されたように、炭素繊維束１０の埋設端１４は圧着端子１３の圧着部１３２に挿入し圧着工具（図示しない）によって固定されている。圧着部１３２の内周は１２,０００本の炭素繊維束１０の外周に接する。すなわち炭素繊維束１０の中心付近の炭素繊維は圧着部１３２と直接接していない。そのため中心付近の炭素繊維は外周に配置された炭素繊維から電力の供給を間接的に受ける。
【００４１】
ヒータ１００は両端部に設けられた一対の接続部１３１に電圧を印加することで、炭素繊維束１０の外周から中央のすべての炭素繊維に印加される。これにより炭素繊維ＣＦ内の炭素原子の格子振動によって遠赤外線を放射することができる。これにより、周囲温度を上昇させることができる。
【００４２】
＜第１シミュレーション＞
以下、束縛体１１のピッチＰが７ｍｍのヒータ１００、束縛体１１のピッチＰが１４ｍｍのヒータ２００、及び束縛体１１を有していないヒータ３００を用いて行った第１シミュレーションを介して、ヒータの発熱効果について詳しく説明する。
【００４３】
ここで、第１シミュレーションに用いられる３種類のヒータのバラメータは表２に示されたとおりである。
【表２】
2011181311.tif 000004
【００４４】
そして、３種類のヒータの両端に電圧が１２Ｖである同じ直流電源を接続する。各ヒータ（１００、２００、３００）の抵抗が約１２．３Ωであるため、ヒータを流れる電流は約０．９８Ａとなる。
【００４５】
上記のような条件で３種類のヒータに対して１５℃の雰囲気内に置いて６０分間１２Ｖを印加する第１シミュレーションを行った。ヒータの温度は被覆カバー１２の外側に貼り付けた熱電対で測定した。その結果、ヒータ１００は７２．０℃で飽和し、ヒータ２００は６７．２℃で飽和し、ヒータ３００は６０．０℃で飽和してしまった。つまり、印加電圧、ヒータの長さ及び炭素繊維数などが同じである条件で、ピッチＰが７ｍｍであるヒータ１００の温度が一番高くなり、ピッチＰが１４ｍｍであるヒータ２００より４．８℃程高かった。ピッチＰが７ｍｍであるヒータ１００は、束縛体１１を有していないヒータ３００より１２．０℃程高くなった。
【００４６】
まず束縛体１１により炭素繊維ＣＦを密着させたヒータ１００、２００は束縛体１１を有していないヒータ３００と比べれば、発熱効果が顕著に優れることが分かれる。また同じ温度まで上昇させる際には、ヒータ１００、２００に必要な電圧が束縛体１１を有していないヒータ３００に必要な電圧に比べ、少なくて済むことも分かる。
【００４７】
また、ピッチＰの７ｍｍであるヒータ１００の方がピッチＰの１４ｍｍであるヒータ２００より発熱効果に優れる。換言すれば、ピッチＰが狭いほど、ヒータの発熱効果に優れることが分かれる。ヒータを曲げる必要がない場合には、ピッチＰをできるだけ狭くして発熱効率を上げることが好ましい。「テトロン」（登録商標）の束縛体１１のピッチを５ｍｍより狭くするとヒータを曲げにくくなる。
【００４８】
上述のシミュレーションでは、１ｍの炭素繊維ＣＦについて１２Ｖの直流電源が用いられた。印加される電圧は炭素繊維ＣＦの長さに基づいて調整する必要がある。例えば２ｍ（抵抗が約２４．６Ω）のヒータ１００に通電させて７０〜８０℃程の温度とする場合には、２４Ｖ程度の直流電源が必要となる。
【００４９】
なお、図１で説明したように、束縛体１１を使わず１２,０００本の１ｍの炭素繊維ＣＦを捩じらせた場合には、ヒータは約５５．０℃で飽和してしまった。
【００５０】
＜第２シミュレーション＞
第２シミュレーションは、ヒータ１００に接続される電源の種類がヒータ１００の発熱効果に与える影響に関する。図５（ａ）は第２シミュレーションを行うための保温パッケージＰＫの側面図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）のＣ−Ｃ断面図である。
【００５１】
図５（ａ）に示されたように、第２シミュレーションを行う保温パッケージＰＫは、発泡プラスチックなどの伝熱性が低い材料より構成されたベース部２０と、保温パッケージＰＫを密封するアルミニューム材のリッド板２１とより構成されている。リッド板２１は保温パッケージＰＫ内の温度が逃げないための蓋であり、且つヒータ１００からの遠赤外線を反射する役目として使用している。
【００５２】
また、ベース部２０内には水２２が収納され、リッド板２１の−Ｙ側には３本のヒータ１００が図５（ｂ）に示されたようにＸ軸方向で等間隔に平行に配置されている。ここで、ヒータ１００の長さは２５０ｍｍ程度で、ヒータ１００から水面までの距離は１５ｍｍ程度である。ヒータ１００被覆カバー１２は水と接しておらず、放射熱がどれだけ水温を上昇させるかを調べる。
【００５３】
図５に示された第２シミュレーションにおいて、ヒータ１００に同じ９Ｖの４種類の電源が用いられ、ヒータ１００の放射熱により上昇させた水２２の温度の結果は表３に示されたとおりである。
【表３】
2011181311.tif 000005
【００５４】
表３の電源のパルスとは、図８（ａ）に示されたようパルス（＋９Ｖ（＋Ｖ１）〜−９Ｖ（−Ｖ１））で変化するパルス信号である。表３の電源の交流とは、図８（ｂ）に示されたよう正弦波（＋９Ｖ（＋Ｖ２）〜−９Ｖ（−Ｖ２））で変化している。また、保温パッケージＰＫに収納された水２２の最初温度は８℃に統一している。また、第２シミュレーションの加熱時間は１時間である。
【００５５】
その結果、表３示されたようにヒータ１００に周波数が５０Ｈｚである９Ｖの交流電源を接続した際、１時間後の水２２の温度が最も高く２１．７℃となり、上昇温度が１３．７℃である。
【００５６】
その次は、ヒータ１００に周波数が３ｋＨｚ及び２ｋＨｚである９Ｖのパルス電源を用いた場合である。具体的には、周波数が３ｋＨｚであるとき１時間後の水２２の温度が２０．３℃となり、周波数が２ｋＨｚであるとき１時間後の水２２の温度が２０．０℃となる。すなわち、上昇温度がそれぞれに１２．３℃及び１２．０℃となる。つまり、ヒータ１００に９Ｖのパルス電源を用いた場合は９Ｖの交流電源を用いた場合より発熱効果が低いことが分かれる。
【００５７】
最後に、ヒータ１００に９Ｖの直流電源を用いた場合において、保温パッケージＰＫに収納された水２２の温度変化が一番小さい。すなわち、一時間後の水２２の温度は１７．０℃となり、上昇温度が９．０℃しかならない。
【００５８】
上述のように、ヒータ１００に用いられる電源として、交流電源及びパルス電源が直流電源より発熱効果に優れることも分かれる。すなわち、同じ電圧において交流電源及びパルス電源が発熱効果に優れる。
【００５９】
＜ヒータ１００の製造方法＞
図６は、ヒータ１００の製造方法を示したフローチャートである。
ステップＳ１１１において、炭素繊維ＣＦとして１２,０００本のピッチ系炭素繊維が用意される。
【００６０】
ステップＳ１１２において、１２,０００本の炭素繊維ＣＦが図１に示されたようにテトロン（登録商標）の糸などの束縛体１１によって密着される。この際に１２,０００本の炭素繊維ＣＦは捩じられたりしない。
【００６１】
ステップＳ１１３において、炭素繊維ＣＦを束縛体１１で密着して形成された炭素繊維束１０は図１に示されたように被覆カバー１２により被覆される。ここで、両端部に圧着端子１３が設けられるように炭素繊維束１０は被覆カバー１２の両端から露出して図４（ｂ）に示された埋設端１４を形成する。
【００６２】
ステップＳ１１４において、図４（ｂ）に示されたように、炭素繊維束１０の埋設端１４が圧着部１３２に挿入されるように、炭素繊維束１０の両端に圧着端子１３が形成される。
【００６３】
＜応用例＞
ヒータ１００は、炭素繊維ＣＦに電流を流すと炭素原子Ｃ（図２を参照）が格子振動することにより温度が上昇し、その温度に応じたエネルギーを遠赤外線の電磁波の形で放射することができる。また、炭素繊維ＣＦを流す電流を調節することで、遠赤外線の放射量が調節でき、必要な設定温度が得られる。したがって、ヒータ１００は融雪マット、融雪標識、床暖房などに工業用に使用されてもよいし、ハンドルカバー、保温衣類などの民生用に使用されてもよい。
【００６４】
例えば、人間の平均体温は３６．５℃である。この温度を波長に換算すると約１０μｍとなる。したがって、１０μｍの遠赤外線を身体に与える水やヘモグロビンと共鳴し、身体を構成する分子の運動が活発化する。一方、ヒータ１００に印加する電圧を調整して放射される遠赤外線の波長を約１０μｍにすることができる。すると、上述のように人間の身体における水やヘモグロビンと共鳴を発生し、人間の体温を温かくすることができる。
【００６５】
以下、応用例として融雪システムＴＳについて、図７及び図８を参照しながら説明する。図７は、融雪システムＴＳの全体構成を示した図である。図７では、説明をしやすくするためにヒータ１００の上面に設けられた保護用アスファルト層が示されていない。図８は、融雪システムＴＳに用いられる電源１１１の種類を示した図である。
【００６６】
融雪システムＴＳは、図７に示されたように炭素繊維ＣＦを用いたヒータ１００及び制御部１０１より構成されている。ここで、ヒータ１００については、上述の説明と同じ構成であるので、構成の説明を省略する。但し、融雪システムＴＳにおいては「伝導伝熱」により熱を伝わるため、被覆カバー１２としては遠赤外線に対して吸収率が高い材料でより厚く形成することが好ましい。
【００６７】
図７において、融雪システムＴＳは同じ形状をした２組のヒータ１００を含んでいる。またヒータ１００は、Ｘ軸方向において所定のピッチＰｔで、Ｚ軸方向において所定の幅Ｈで屈曲を繰り返しながら形成されている。一般的に、ピッチＰｔは例えば２００ｍｍで、幅Ｈは例えば１ｍであればよい。また、その屈曲数は融雪面ＳＭ（雪ＳＮを融かそうとする面積）の長さＬに応じて決められる。融雪面ＳＭの幅Ｗがヒータ１００の幅Ｈより大きい場合にはヒータ１００を幅Ｈの方向で複数並列してもよい。図７では、２組のヒータ１００により融雪面ＳＭが覆われているが、場合によって数組、又は数十組を組み合わせてもよい。
【００６８】
また、ヒータ１００を構成した炭素繊維ＣＦ（図１を参照）は極端な屈曲で傷まれるので、Ｘ軸向きのヒータ１００とＺ軸向きのヒータ１００とは所定の半径Ｒを持って屈曲することが好ましい。したがって、半径Ｒは１０ｍｍ以上にすることが好ましい。また、ヒータ１００は例えばナイロンクランプ（図示しない）などにより地面に固定され、Ｚ軸向きのヒータ１００ごとに２〜３箇所ずつナイロンクランプを設けることが好ましい。
【００６９】
そのほか、ヒータ１００の埋設方法として、エンジンカッターで舗装面を幅５ｍｍ・深さ３０ｍｍから９０ｍｍ位に溝を作り、その中に５ｍｍ位のなるべく粒子の細かい砂を引き、その上にヒータ１００を設けることができる。また、１０ｍｍ位砂をかぶせ少し突き固める。その後、アスファルト補修材で流し溝を埋め平らにし、砂でヒータ１００をアスファルト補修材の熱より保護する。
【００７０】
また、ヒータ１００はその両端に設けられた接続部１３１（図４を参照）に接続されたリード線ＲＬを介して制御部１０１内に収納された電源１１１の両極にそれぞれ接続されている。ここで、リード線ＲＬは例えば断面面積が２ｍｍ２である複数の導体が例えば直径が３ｍｍであるビニル被膜よりカバーされたものである。また、リード線ＲＬは予め敷設された電線管、又はトラフなどに通線することが好ましい。また、電線管などを用いずにリード線ＲＬの配線を行う場合に、できるだけ既設構造物に沿って配線し、浮き上がったり移動したりしないように配線すればよい。さらに、リード線ＲＬはヒータ１００と上下交差しないように配線することが好ましい。
【００７１】
制御部１０１は、外観的に例えば幅が４００ｍｍ、厚さが２００ｍｍ、高さが５００ｍｍの立方体のボックスである。また、制御部１０１は中に電源１１１及び温度制御部１１２などが収納されている。制御部１０１の設置位置については、まずヒータ１００の敷設場所と近い方が好ましい。次は、雪が積もらない場所、又は雨、風が当たりにくい場所が好ましい。また、制御部１０１の設置方法においては、支柱を立てて設置してもよいし、壁面に固定して設置してもよいし、ホールインアンカー留めにより設置してもよい。
【００７２】
なお、融雪システムＴＳに用いられる電源１１１としては、上述の第２シミュレーションに基づいて図８（ａ）に示されたような例えば±２４Ｖ（＋Ｖ１，−Ｖ１）のパルス電源が用いられてもよいし、図８（ｂ）に示されたような例えば±１００Ｖ（＋Ｖ２，−Ｖ２）の交流電源を用いてもよい。その理由は「第２シミュレーション」の結果から分かれる。
【００７３】
融雪システムＴＳは、ヒータ１００及び制御部１０１を除いてヒータ温度センサ１０２及び地面温度センサ１０３をさらに有している。また、降雪センサ１０４及び外気温度センサ１０５をオプションとして有してもよい。
【００７４】
ヒータ温度センサ１０２は、ヒータ１００の指定位置の表面に設けられ、連結線ＨＬにより制御部に収納された温度制御部１１２に接続され、例えば熱電対が用いられる。
地面温度センサ１０３は、後述するアスファルト表層から約１ｃｍ下に設けられ、ＸＺ平面においてヒータ１００同士の間に設けられ、連結線ＧＬにより制御部に収納された温度制御部１１２に接続されている。
【００７５】
降雪センサ１０４は、場合によって地面に設置すればよいし、連結線ＳＬにより制御部に収納された温度制御部１１２に接続されている。
外気温度センサ１０５は、連結線ＥＬにより制御部に収納された温度制御部１１２に接続され、空気中に浮いて設置すればよい。
【００７６】
このような構成にすれば、融雪システムＴＳはヒータ温度センサ１０２、地面温度センサ１０３、降雪センサ１０４及び外気温度センサ１０５の検知結果に基づいて、ヒータ１００に通電する電圧を調整することで、必要な温度に達することができる。
【００７７】
ヒータ１００及びリード線ＲＬ、ヒータ温度センサ１０２及び連結線ＨＬ、地面温度センサ１０３及び連結線ＧＬなどを保護するために、それらの上面に保護用アスファルト層などを敷設することが好ましい。
【００７８】
保護用アスファルト層は、薄いほど融雪効果に優れるが、耐荷重などの問題があるため７ｃｍ程度にすることが好ましい。実験によると、９ｃｍまでは融雪効果があることが分かれる。このとき、ヒータ１００が保護用アスファルト層により破損されないように、その被覆カバー１２の厚さを３．０ｍｍにすることが好ましい。
【産業上の利用可能性】
【００７９】
以上、本発明の最適な実施形態について詳細に説明したが、当業者に明らかなように、本発明はその技術的範囲内において実施形態に様々な変更・変形を加えて実施することができる。
例えば、本発明では束縛体が螺旋状となって炭素繊維を密着させるように束ねているが、その他でも炭素繊維が密着できば、別の形状でもよい。
また、本発明ではヒータに１２,０００本の炭素繊維が用いられているが、必ずしも１２,０００本とする必要はなく、２４,０００本または３６，０００本としてもよい。
【符号の説明】
【００８０】
１０  …  炭素繊維束
１１  …  束縛体
１２  …  被覆カバー
１３  …  給電部
１４  …  埋設端
２０  …  ベース部
２１  …  リッド板
２２  …  水
１００  …  ヒータ
１０１  …  制御部
１０２  …  ヒータ温度センサ
１０３  …  地面温度センサ
１０４  …  降雪センサ
１０５  …  外部温度センサ
１１１  …  電源
１１２  …  温度制御部
１３１  …  接続部
１３２  …  圧着部
１３３  …  貫通穴
ＣＦ  …  炭素繊維
ＥＬ、ＧＬ、ＨＬ、ＳＬ  …  連結線
Ｈ  …  ヒータの幅
Ｌ  …  融雪面の長さ
Ｐ  …  束縛体のピッチ
ＰＫ  …  パッケージ
Ｐｔ  …  ヒータのピッチ
ｒ  …  被覆カバーの厚さ
Ｒ  …  屈曲の半径
ＲＬ  …  リード線
ＳＭ  …  融雪面
Ｗ  …  融雪面の幅
φ１  …  炭素繊維束の直径
φ２  …  ヒータの直径
φ３  …  束縛体の直径
φ４  …  炭素繊維の直径
【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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